天津大學(xué)封偉教授課題組《Matter》：4D打印仿生觸覺應(yīng)變自主軟體機(jī)器人

來源：高分子科技

軟體機(jī)器人能夠適應(yīng)不同的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)與人類更安全地交互。目前，軟機(jī)器人主要采用手工裝配工藝制造。制造方法的局限性導(dǎo)致生產(chǎn)困難，限制了材料選擇范圍，并且難以獲得復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)性能，更不用提賦予機(jī)器人感知能力或智能性了。相比之下，3D打�。ㄔ霾闹圃旒夹g(shù)）可以基于數(shù)字模型自動(dòng)準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為復(fù)雜零件，從而顯著提高生產(chǎn)效率和制造靈活性。因此，3D打印是制造軟體機(jī)器人的最佳選擇之一，因?yàn)樗�可以�?shí)現(xiàn)智能材料的精確加工，也就是4D打印技術(shù)。4D打印可以將智能材料加工成具有各種刺激響應(yīng)行為的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。除了簡單的變形外，具有感知能力和適應(yīng)性的4D打印智能軟體機(jī)器人更具吸引力，也就是通常說的人工智能（AI, ArtificialIntelligence）。而通過4D打印直接獲得智能軟體機(jī)器人仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

示意圖

近日，天津大學(xué)材料學(xué)院封偉教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種具備自主行動(dòng)能力和觸覺應(yīng)變的4D打印軟體機(jī)器人，該機(jī)器人在一次打印成型后即具有熱致無約束滾動(dòng)能力，無需任何其他后續(xù)加工程序。機(jī)器人的滾動(dòng)穩(wěn)定有力，而速度和方向可通過改變形狀和尺寸進(jìn)行調(diào)整。如圖1所示，當(dāng)放置于160℃的熱臺(tái)上時(shí)，打印的矩形樣品變形為螺旋管狀，并在加熱板上自動(dòng)開始滾動(dòng)。調(diào)整樣品的大小可以改變機(jī)器人的滾動(dòng)速度。而滾動(dòng)的方向由螺旋管的曲率方向控制，可以輕松改變。

圖1. 4D打印軟體機(jī)器人自主變形及滾動(dòng)過程。

圖2. 機(jī)器人自主滾動(dòng)及爬坡過程。

如圖2所示，當(dāng)加熱板水平時(shí)，樣品以約48cm/min的速度朝其自身曲率方向滾動(dòng)。當(dāng)熱板右側(cè)被提起時(shí)，我們觀察到，盡管玻璃管已經(jīng)落下，樣品仍沿著斜坡向上滾動(dòng)�？梢钥吹剑�管狀機(jī)器人的整個(gè)驅(qū)動(dòng)過程是自動(dòng)的，無需改變環(huán)境因素。相比之下，由于缺乏自主性，大多數(shù)報(bào)告的軟體機(jī)器人無法脫離主動(dòng)控制。因此，這種機(jī)器人的一個(gè)重要特征就是自主驅(qū)動(dòng)，使機(jī)器人能夠在脫離人工控制的情況下完成任務(wù)。得益于材料和結(jié)構(gòu)的柔軟性，管狀機(jī)器人的無約束運(yùn)動(dòng)很容易被改變，如圖3A所示。較長樣本的滾動(dòng)速度比較短樣本快，如圖3B展示了一場“短跑比賽”，其中10 cm長樣品的最大滾動(dòng)速度可以達(dá)到48 cm/min，并可以從后面輕松地追趕上7 cm長的樣品。由于樣品顯示出一定的黏彈特性和相當(dāng)大的滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)樣品以一定角度放置在傾斜的加熱板上時(shí)，樣品依然可以向上滾動(dòng)（圖3D）。樣品的滾動(dòng)速度隨著角度的增加而降低，并且樣品繼續(xù)保持在斜坡上，直到速度降低到0，然后掉落。如圖3E所示，由于驅(qū)動(dòng)力較大，較長的樣品可以以較大的角度爬坡。這種攀爬能力使軟機(jī)器人能夠適應(yīng)復(fù)雜的地形。

圖3. 4D打印軟體機(jī)器人的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)特征。

機(jī)器感知是人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。具有視覺、聽覺、觸覺和其他感知能力的機(jī)器人可以模擬和模仿人類行為。通常要實(shí)現(xiàn)人工智能，即使是最簡單的感知能力，也需要向機(jī)器人中集成各種復(fù)雜的元器件和傳感器。目前的軟體機(jī)器人，特別是由單種材料組成的軟體機(jī)器人，走向人工智能的道路依舊漫長而艱難。對(duì)于本研究中的軟體機(jī)器人而言，由于螺旋圓筒的曲率方向控制滾動(dòng)方向的特性使得這種軟體機(jī)器人有類似昆蟲觸角的觸覺感知能力，其能夠探測前方道路上的障礙物，根據(jù)障礙物的高低實(shí)現(xiàn)翻越或折返，從行為學(xué)上體現(xiàn)了一定的智能性。而螺旋管的空心圓筒為貨物裝載提供了空間，其中裝載貨物的最大容量可達(dá)機(jī)器人重量的40倍。因此，該機(jī)器人可用于極端高溫條件下的貨物運(yùn)輸和智能探測。

圖4. 翻越較低障礙。

圖5. 遇到較高障礙掉頭返回。

該成果在Cell 出版社旗下頂尖期刊Matter發(fā)表，題目為“4D Printed untethered self-propelling soft robot with tactileperception: rolling, racing, and exploring”。文章第一作者為天津大學(xué)材料學(xué)院博士研究生翟飛，封偉教授為本文通訊作者。近年來，封偉教授團(tuán)隊(duì)在智能材料領(lǐng)域開展了一系列創(chuàng)新性研究工作。近期成果主要有（Mater. Horiz., 2021,8, 2475-2484; J. Mater. Chem. A, 2021,9,875-883; Progress in Materials Science, 2021, 115, 100702; ACS AppliedMaterials & Interfaces, 2020, 12, 15657-15666；Adv.Mater., 2021, 2004754）等。

論文鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00408-2