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通過4D打印一次性成形的自滾動軟機(jī)器人

科研前沿
2021
12/06
11:23
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供稿人: 高琳 謝璇璇 供稿單位:西安交通大學(xué)機(jī)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(yīng)行為。最近,天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊克服了4D打印直接獲得智能軟機(jī)器人的科技難題,開發(fā)出無約束自滾動軟機(jī)器人,這一機(jī)器人通過HOT-DIW(高工作溫度的墨水直寫)技術(shù)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(jī)器觸覺和環(huán)境適應(yīng)性等能力。
自發(fā)滾動機(jī)器人是雙層矩形結(jié)構(gòu),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(jīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。 打印完成的雙層矩形結(jié)構(gòu)加熱到160°C以上時發(fā)生卷曲,形成管狀機(jī)器人。接觸加熱板使機(jī)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(jī)器人的曲率中心方向與滾動運(yùn)動方向相反,10厘米長的機(jī)器人可以在水平平面上達(dá)到超過48cm/min的最大速度,并爬上約20°的斜坡(圖1(b))。 機(jī)器人的觸覺感應(yīng)能力與昆蟲的天線相似,在碰到不可逾越障礙物時,機(jī)器人的曲率方向發(fā)生翻轉(zhuǎn),進(jìn)而改變方向。此外,機(jī)器人可以攜帶40倍于自身重量的負(fù)載,展現(xiàn)了運(yùn)輸行業(yè)潛在適用性。


(a) HOT-DIW示意圖 (b)一次性成形與運(yùn)動能力示意圖 圖1 4D打印自滾動機(jī)器人制造過程與運(yùn)動能力
參考文獻(xiàn):
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.


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