3D打印再登Science，一步構建“元機器人”！

【研究背景】

壓電材料能夠將電場轉換為機械應變，反之亦然，是在機器人系統中提供傳感和驅動功能的理想候選材料。這些材料廣泛應用于精密執行器、機械手、加速計和觸覺傳感器，以產生機器人運動和傳感反饋。為了在機器人系統中使用壓電材料作為傳感器，制造過程必須涉及廣泛的加工和組裝步驟，如陶瓷加工、層壓、連接激活和驅動的平面電極，以及與傳輸機構的集成，以放大壓電應變并將應變轉換為所需方向的運動。這些制造路線通常只加工固體壓電材料，無法精確地對電極進行圖形化，因此難以減輕驅動元件的重量并在小范圍內激活雙向壓電效應。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勢。增材制造技術，如3D打印，已經加速了復雜的超材料的制造，其規模越來越小，功能也前所未有。機器人超材料通過在超材料的周期性結構中構思自主性來挑戰這種模式。

【成果簡介】

近日，美國加州大學洛杉磯分校鄭小雨團隊報道了一種設計和制造路線，以創建一類機器人超材料，該超材料能夠在多個自由度的運動中，在電場的作用下，在規定的方向上放大應變（反之亦然），從而通過自感測和反饋控制編程運動。這些機器人超材料由壓電、導電和結構元素組成的網絡交織成預先設計的3D晶格，由此產生的建筑材料就像主動感知和移動的本體感知微型機器人，可以執行一些機器人任務。所需的變形模式，例如扭曲，近似為一些通過結構的離散平面的運動。反過來，這些平面的允許運動將告知結構相、致動器和電極應如何在壓電超材料內組織以產生目標運動。相關研究成果以“Design and printing of proprioceptive three-dimensional architected robotic metamaterials”為題發表在Science上，第一作者為崔華晨。

【圖文導讀】

圖一、具有任意應變模式的機器人超材料的合理設計

圖二、多材料制造平臺

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圖三、機器人超材料設計的實驗驗證

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圖四、刺激響應型多模態移動微型機器人

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【全文總結】

綜述所述，本研究介紹了一種設計和構建機器人超材料的策略—在結構中體現“機器人任務”，該超材料將電子、結構和導電微尺度支柱元素整合到三維架構中。具體而言，通過開發了一種合理設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，可以執行一些機器人任務包括扭轉、彎曲、復合、解耦和放大應變。微結構設計超越了天然壓電晶體的限制，其中壓電應變依賴于可用的天然晶體結構。該設計策略可以與拓撲優化算法相結合，生成任意壓電張量。多材料添加劑制造技術將壓電陶瓷、金屬和結構材料組合成復雜的三維結構。由此產生的具有毫米至厘米尺寸的超材料能夠輸出具有高阻擋力的多自由度運動，以及感應接觸和遠程刺激。這是在沒有任何外部傳感器和傳輸的情況下完成的。本研究的設計框架和制造方法對微型機器人、傳感器和機器人材料的未來發展具有直接影響，通過簡化的人工材料，將有可能實現所需的運動和決策。

文獻鏈接：Design and printing of proprioceptive three-dimensional architected robotic metamaterials (Science 2022, 376, 1287-1293)

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