寧夏大學&浙江大學：3D打印類昆蟲微型快速爬行機器人

來源：EngineeringForLife  

小小的昆蟲，身體小而輕，具有在小空間內(nèi)敏捷快速移動的能力，類似昆蟲的軟體機器人可以在探索、救援等許多場景中進行應用。然而，設計和批量制造昆蟲大小、快速移動、良好的魯棒性和碰撞感知能力的類昆蟲機器人仍然有巨大的挑戰(zhàn)。

近期，寧夏大學冒杰與浙江大學羅英武及賀永團隊合作開發(fā)了一種3D打印的可高頻響應人造肌肉，并利用該人造肌肉，設計和制造了一種昆蟲大小的軟體機器人。整個機器人僅15mm，比硬幣小，重量僅450毫克，能夠超快移動(4個體長每秒，已報道介電彈性體驅(qū)動機器人中爬行最快)。該機器人可以在各種場地和復雜的路徑上奔跑，在小管道內(nèi)攀爬，可以實現(xiàn)機器人群體同時工作，并可以承受和感知反復的沖擊，展示出較高的魯棒性、良好的環(huán)境適應性和沖擊感知能力。相關(guān)研究結(jié)果以“3D-Printed High-Frequency Dielectric Elastomer Actuator toward Insect-Scale Ultrafast Soft Robot”為題，發(fā)表于《ACS Materials Letters》雜志上，第一作者為朱元波碩士，共同通訊作者為寧夏大學化工學院的冒杰副教授、浙江大學化工學院的羅英武教授及機械學院的賀永教授。

圖1 3D打印微型快速爬行機器人

1. 快速運動的秘密——高頻響應介電彈性體驅(qū)動器
該機器人可以快速運動的秘密來源于其獨特的運動肌肉——介電彈性體驅(qū)動器。介電彈性體驅(qū)動器是一類電活性人工肌肉，可在電場下發(fā)生快速變形。然而，自動化、連續(xù)化、快速化、定制化構(gòu)建微型介電彈性體驅(qū)動器一直是制約介電彈性體領(lǐng)域發(fā)展的難題。為解決這一難題，團隊研發(fā)了多材料墨水直寫同軸3D打印工藝進行線圈型介電彈性體驅(qū)動器的高效地制造。所制備的驅(qū)動器能在750hz的高頻下快速可逆變形，并具備超長的使用壽命(驅(qū)動超過100萬次循環(huán)而不出現(xiàn)性能下降)。這一優(yōu)異性能的驅(qū)動器的制造為機器人的快速運動奠定了堅實的基礎。

圖2 線圈狀介電彈性體驅(qū)動器性能

2. 類昆蟲軟體機器人性能
該機器人體型大小與昆蟲相似，可實現(xiàn)>50mm/s（4倍身長/秒）的運動速度，是目前已知的介電彈性體驅(qū)動的爬行機器人中體型最小，速度最快的機器人之一。

圖3 機器人運動性能

該機器人可在驅(qū)動狀態(tài)下受到外部擠壓而不損毀，并可快速恢復前進功能。在受到擠壓時，機器人驅(qū)動器還可通過電流變化展示出其自感知能力。

圖4 機器人的魯棒性和自感知能力

該項目的研究為超快昆蟲級介電彈性體機器人的制造提供了一種可行方案，對電活性材料的設計、制造和應用具有很好的借鑒和指導意義。

文章來源：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsmaterialslett.2c00991