UCLA鄭小雨教授：3D打印機器人超材料，可以感知環(huán)境、自主導航！

來源：高分子科學前沿


隨著人工智能技術(shù)的進步，智能機器人產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。實際上，“機器人”一詞最早出現(xiàn)在1921年卡雷爾·卡佩克(KarelCapek)創(chuàng)作的一部科幻劇中。

目前大多數(shù)機器人，無論其大小，通常都是通過一系列復(fù)雜的制造步驟構(gòu)建的，這些步驟集成了肢體、電子和有源組件。與用提供不同功能的獨立部件來建造機器人相比，用多功能超材料建造的機器人具有一定的優(yōu)勢。超材料是一種由重復(fù)圖案組成的合成結(jié)構(gòu)，旨在表現(xiàn)出理想的宏觀特性。與大宗材料不同，超材料的行為受其工程結(jié)構(gòu)的制約，而不是純粹由其材料構(gòu)成驅(qū)動。增材制造技術(shù)，如3D打印，已經(jīng)加速了復(fù)雜的超材料的制造，其規(guī)模越來越小，功能也前所未有。傳統(tǒng)上，制造機器人依賴于組裝離散的執(zhí)行器、傳感器、微處理器和電源。機器人超材料通過在超材料的周期性結(jié)構(gòu)中構(gòu)思自主性來挑戰(zhàn)這種模式。

從歷史上看，超材料的研究主要集中在光學應(yīng)用上，例如具有超出普通透鏡和反射鏡能力的可調(diào)諧光學特性的超材料。然而，近年來，研究人員越來越多地轉(zhuǎn)向在其他領(lǐng)域采用這種設(shè)計原理。比如無需使用傳動齒輪即可將線性運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械超材料，或能夠按需調(diào)整剛度或變形等體積特性的鑲嵌機器人群。創(chuàng)造機器人超材料的另一條途徑是在結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)“機器人任務(wù)”。例如，人們可以設(shè)計一種超材料，其變形可以通過電信號進行控制。

鑒于此，最新一期《Science》期刊在線發(fā)表了加州大學洛杉磯分校的鄭小雨教授團隊的新成果。該團隊開發(fā)了一種新的設(shè)計策略和 3D 打印技術(shù)，可以一步構(gòu)建機器人。第一作者為崔華晨。

具體而言，作者開發(fā)了一種合理設(shè)計壓電超材料的方法，該材料由無源、壓電有源和導電相組成，可以執(zhí)行一些機器人任務(wù)（Figure1）。所需的變形模式，例如扭曲，近似為一些通過結(jié)構(gòu)的離散平面的運動。反過來，這些平面的允許運動將告知結(jié)構(gòu)相、致動器和電極應(yīng)如何在壓電超材料內(nèi)組織以產(chǎn)生目標運動。在經(jīng)典的彈性理論中，彈性材料的變形以拉伸、壓縮和剪切為特征。本文作者應(yīng)用了微極彈性，通過在平移之上結(jié)合旋轉(zhuǎn)來擴展經(jīng)典彈性。這種方法能夠更全面地評估壓電超材料的宏觀膨脹、剪切、扭曲和彎曲對其微結(jié)構(gòu)、極化和施加的電場。

△示意圖

實驗設(shè)計
架構(gòu)材料的核心概念是在 3D 單元拓撲中不受限制地放置材料，繞過天然晶體固有的限制或模仿它們以實現(xiàn)所需的特性。為此，作者引入了一種方便且強大的策略來構(gòu)建 3D 空間中的壓電活性、導電和結(jié)構(gòu)相（圖 1A）。因為現(xiàn)有的壓電張量不足以描述所有的自由度，作者在 Cosserat 固體的基礎(chǔ)上定義了廣義壓電張量來描述架構(gòu)壓電材料的應(yīng)變轉(zhuǎn)換（圖 1B）。微結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)（晶胞）如圖1C-1K所示。

△圖 1. 具有任意應(yīng)變模式的機器人超材料的合理設(shè)計

機器人超材料的增材制造
作者開發(fā)了一種電荷程序化多材料增材制造技術(shù)，能夠?qū)弘娀钚韵?、結(jié)構(gòu)相和導電相組裝成復(fù)雜的3D微架構(gòu)。首先，通過多材料3D打印系統(tǒng)（材料和方法）打印帶負電荷的樹脂和高負載的納米粒子膠體，如圖2A所示。然后將導電相選擇性地沉積在帶電樹脂上，形成帶有電極的 3D 微架構(gòu)（圖 2B）。此外，氧化鉛用于提供液體密封和富鉛環(huán)境，以抑制 PZT 在高于 800°C 的溫度下的鉛蒸發(fā)（圖 2D）。這種 3D 制造方法允許制造具有精確、微尺度 3D 結(jié)構(gòu)和低孔隙率的壓電活性材料（圖 2E-2H）。總之，作者使用具有空間編程靜電荷的多材料立體光刻系統(tǒng)，并在選定區(qū)域制造了裝飾有導電金屬和壓電特性的3D陶瓷晶格。

△圖 2. 多材料制造平臺

多自由度放大和程序化應(yīng)變
由增材制造的機器人超材料可以使用電場到機械應(yīng)變的雙向轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生運動和傳感。逆壓電效應(yīng)賦予機器人驅(qū)動能力，而直接和雙向壓電效應(yīng)分別通過本體感受（自我監(jiān)測）和外感受（接觸檢測和遙感）實現(xiàn)反饋控制。超材料的拓撲結(jié)構(gòu)允許將電極直接放置在壓電活性支柱上，從而產(chǎn)生更強的電場并放大驅(qū)動應(yīng)變。

△圖 3. 機器人超材料設(shè)計的實驗驗證

同時，作者巧妙地將驅(qū)動和感知交織在一個輕巧的微型復(fù)合3D格子中，該格子可以四處移動并感知周圍環(huán)境。然后，作者通過設(shè)計板載控制系統(tǒng)和電源，朝著不受束縛的實施邁出了一步。這種系統(tǒng)級集成雖然很少見，但可以充分挖掘現(xiàn)實世界場景中快速發(fā)展的機器人材料的全部潛力，并找出它們的缺點?？紤]到這里討論的移動壓電超材料，壓電活性元件的布線仍然是增強其多功能性的限制因素，而分配功率和分散控制仍然是需要克服的障礙。盡管存在這些限制，但作者證明，當移動性和不受約束的自主性不是必需的時，一塊壓電架構(gòu)可以用作具有六個自由度的緊湊型3D打印機械手，即能夠沿所有三個軸平移并圍繞所有三個軸旋轉(zhuǎn)。

△圖 4. 刺激響應(yīng)多模式移動微型機器人

△自主感知、導航機器人

作者簡介

加州大學洛杉磯分校的Xiaoyu (Rayne) Zheng教授課題組從力學、光學和材料科學中汲取原理，開發(fā)下一代增材制造（3D打印）工藝、材料設(shè)計和合成方法，以創(chuàng)造具有可控拓撲結(jié)構(gòu)、成分和多尺度特征的多功能材料和一體式設(shè)備。該課題組積極地將這些材料轉(zhuǎn)移到電子、結(jié)構(gòu)、機器人、能源儲存和傳導、到生物和保健的廣泛應(yīng)用中。Xiaoyu (Rayne) Zheng教授課題組在超輕、超強和彈性材料的可擴展增材制造方法方面的工作被《麻省理工科技評論》的十大創(chuàng)新、《研發(fā)100》雜志、《科學》雜志和《自然材料》的封面所報道。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1126/science.abn0090