通過4D打印一次性成形的自滾動軟機器人

供稿人： 高琳 謝璇璇 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

4D打印比3D打印多“時間”維度，其制品具有各種刺激響應行為。最近，天津大學封偉教授團隊克服了4D打印直接獲得智能軟機器人的科技難題，開發(fā)出無約束自滾動軟機器人，這一機器人通過HOT-DIW（高工作溫度的墨水直寫）技術打印液晶彈性體，無需任何前、后處理程序，具有自發(fā)滾動、機器觸覺和環(huán)境適應性等能力。

自發(fā)滾動機器人是雙層矩形結構，兩層打印方向之間有 90°的差異，如圖1（a）所示，在2Mpa擠出壓力及10mm/s打印速度下，打印墨水一經擠出即被UV光固化，且其中的液晶彈性體在擠出過程的剪切應力作用下自動完成定向排列，為熱源刺激下各向異性變形提供了結構基礎。 打印完成的雙層矩形結構加熱到160°C以上時發(fā)生卷曲，形成管狀機器人。接觸加熱板使機器人整體具有溫度梯度，各部分變形量不匹配，出現(xiàn)無約束自滾動行為。管狀機器人的曲率中心方向與滾動運動方向相反，10厘米長的機器人可以在水平平面上達到超過48cm/min的最大速度，并爬上約20°的斜坡（圖1（b））。 機器人的觸覺感應能力與昆蟲的天線相似，在碰到不可逾越障礙物時，機器人的曲率方向發(fā)生翻轉，進而改變方向。此外，機器人可以攜帶40倍于自身重量的負載，展現(xiàn)了運輸行業(yè)潛在適用性。


(a) HOT-DIW示意圖 (b)一次性成形與運動能力示意圖 圖1 4D打印自滾動機器人制造過程與運動能力
參考文獻：
Fei Z, Yiyu F, Zeyu L, Yuxin X, Jing G, Hui W, et al. 4D-Printed Untethered Self-Propelling Soft Robot with Tactile Perception: Rolling, Racing, and Exploring. Matter. 2021.