靈感來自章魚，羅格斯大學(xué)3D打印迷彩機(jī)器人

2021年1月6日，南極熊獲悉，來自羅格斯大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了對光敏感的3D打印人工 "肌肉"，能夠按需改變外觀和形狀。

這種機(jī)器人設(shè)備基于一種新型水凝膠，靈感來自于烏賊、墨魚和章魚中的適應(yīng)性細(xì)胞。一旦暴露在光的刺激下，這種彈性材料就能收縮并改變顏色，未來有可能應(yīng)用在消費(fèi)電子產(chǎn)品甚至軍事偽裝方面。

研究的主要作者Howon Lee說："電子顯示屏無處不在，盡管取得了顯著的進(jìn)步，但它們基于剛性材料，限制了它們可以采取的形狀，我們的研究支持一種以偽裝為特色的新工程方法，可以將其添加到軟性材料中，并創(chuàng)造出靈活、多彩的顯示器。"

△羅格斯團(tuán)隊以他們的新型水凝膠為基礎(chǔ)，在幾種頭足類動物中發(fā)現(xiàn)的變色細(xì)胞，圖片來自NOAA Okeanos探索者計劃

海底的增材制造靈感

章魚與變色龍類似，它們能夠可逆地改變自己的膚色或質(zhì)地，以配合周圍的環(huán)境。對于這些海洋生物和它們的頭足類動物來說，這種機(jī)制要么用于交流，要么用于躲避捕食者，但這種行為也引起了研究人員的興趣。

之前的研究發(fā)現(xiàn)，章魚的獨(dú)特能力要?dú)w功于它的皮膚上自然生長的數(shù)千種名為 "染色體 "的光反射細(xì)胞。雖然機(jī)制還不完全清楚，但科學(xué)家們知道，這些細(xì)胞附著在肌肉上，一旦拉伸，就會打開含有彩色色素的囊。

雖然之前已經(jīng)嘗試過頭足類啟發(fā)的顏色調(diào)制，但復(fù)制體的傳感和致動功能往往是分開進(jìn)行的。因此，這些基于魷魚的設(shè)備具有笨重、復(fù)雜的控制系統(tǒng)，發(fā)射觸發(fā)變色機(jī)制所需的磁信號。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，工程師們需要設(shè)計一種新型的反應(yīng)性水凝膠，一旦光固化，就會產(chǎn)生一種能夠按需驅(qū)動的材料。

△工程師們的裝置是一個復(fù)制的章魚 "囊"，里面有黑白染料，一旦暴露在光源下就會打開，圖片來自《Applied Materials and Interfaces》雜志

工程師們的可偽裝裝置

在研究過程中，團(tuán)隊開發(fā)了一種 "智能凝膠"，由一種裝載有納米顆粒的聚合物組成，能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)化為熱能，并迫使致動發(fā)生。利用他們的新材料，團(tuán)隊能夠打印一個光反應(yīng)肌肉，它還具有一個 "囊 "和剛性外框。

組裝完成后，裝置表現(xiàn)出對四種不同投影模式的感應(yīng)和致動能力，在兩分鐘內(nèi)打開復(fù)制品囊。所表現(xiàn)出的反應(yīng)水平也證明了它能夠做出復(fù)雜的反應(yīng)，并且可以調(diào)節(jié)到 "開 "和 "關(guān) "之間的設(shè)置。

盡管表現(xiàn)出了保真度的水平，但將三個裝置連接在一起確實(shí)會導(dǎo)致它們之間發(fā)生一些 "熱泄漏"。同樣，羅格斯團(tuán)隊也承認(rèn)，這些設(shè)備的速度、靈敏度和耐用性可以通過進(jìn)一步的研究來提高。

雖然工程師們只測試了單色染料，但他們認(rèn)為未來可以將其他顏色添加到設(shè)備的囊中以實(shí)現(xiàn)新穎的應(yīng)用。他們建議，使用更明亮的顏色，可以成為打印顯示器的理想選擇，而基于地形的色調(diào)可能會為士兵提供偽裝，使其免受敵人的傷害。

基于3D打印生物的作品

雖然羅格斯團(tuán)隊的方法很獨(dú)特，但他們遠(yuǎn)不是第一個根據(jù)自然界中的機(jī)制來3D打印軟機(jī)器人設(shè)備的研究人員。

總部位于康奈爾大學(xué)的科學(xué)家也受到頭足類動物的啟發(fā)，3D打印了一個復(fù)制的章魚觸角，肌肉排列栩栩如生。使用彈性體作為基礎(chǔ)，使團(tuán)隊能夠制造出設(shè)計自由度更大的物體，并實(shí)現(xiàn)比以前更復(fù)雜的形狀。

與此同時，佐治亞理工學(xué)院的研究人員則以溫血哺乳動物為基礎(chǔ)，改用3D打印出了一款節(jié)能的 "SlothBot "機(jī)器人。目前，該設(shè)備正在亞特蘭大植物園上方使用，它正在監(jiān)測下方的動物、植物和環(huán)境。

在其他地方，康奈爾大學(xué)的另一個團(tuán)隊從離家更近的地方獲得了靈感，3D打印了一個能夠 "出汗 "的機(jī)器人肌肉。該設(shè)備柔軟的手指狀致動器使其能夠留住水分，之后可以通過'出汗'來防止自身在長時間使用過程中過熱。

研究人員的研究結(jié)果詳見其題為 "Multimaterial Printing for Cephalopod-Inspired Light-Responsive Artificial Chromatophores"的論文。論文由Daehoon Han、Yueping Wang、Chen Yang和Howon Lee共同撰寫。


編譯自：3dprintingindustry