本體感受性三維結(jié)構(gòu)機器人超材料的設(shè)計與打印

供稿人：戚書豪 連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

現(xiàn)如今，機器人技術(shù)已成為機械工程、計算機和自動控制等多個領(lǐng)域研究的熱門方向，而傳統(tǒng)的電力驅(qū)動、熱力驅(qū)動和液壓控制等技術(shù)在很多應(yīng)用場景下具有不可避免的局限性，因此目前研究人員們致力于開發(fā)新的驅(qū)動和控制方式，壓電驅(qū)動器就是在機器人系統(tǒng)中驅(qū)動運動的一種新途徑，它通過電場或電荷等電信號和應(yīng)變的運動信號相互轉(zhuǎn)換的方式實現(xiàn)驅(qū)動，在狹小空間探測等領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。

目前壓電驅(qū)動器由于自然環(huán)境下晶體結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)致在各個方向上電場響應(yīng)的應(yīng)變不同，難以實現(xiàn)多自由度的變形和運動，從而在應(yīng)用上增加了難度；增材制造技術(shù)的進(jìn)步使設(shè)計三維結(jié)構(gòu)的刺激響應(yīng)材料成為可能，與諸如傳感、驅(qū)動和控制等功能緊密集成的生物系統(tǒng)不同，通過增材制造實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)材料具有前所未有的系統(tǒng)復(fù)雜性。美國加利福尼亞大學(xué) Zheng Xiaoyu團(tuán)隊[1]通過增材制造技術(shù)設(shè)計了一系列制造路線，以創(chuàng)建一類能夠以多個自由度運動，在規(guī)定方向的應(yīng)變放大，從而實現(xiàn)具有自我感知和反饋控制的編程運動。

實驗原理設(shè)計
結(jié)構(gòu)材料的核心概念是將材料不受限制地放置在三維細(xì)胞拓?fù)渲�，繞過天然晶體固有的限制。研究者引入了一種策略來在三維空間中構(gòu)建壓電、導(dǎo)電和結(jié)構(gòu)相（如圖1所示）。這種多材料構(gòu)成的超材料能夠接收輸入電場并輸出所需的任何應(yīng)變模式，包括正應(yīng)變、剪切應(yīng)變、扭轉(zhuǎn)和彎曲模式以及它們的組合和放大。通過特征平面的旋轉(zhuǎn)來表征壓電材料在電場下的扭曲狀態(tài)，單元內(nèi)壓電支柱的局部應(yīng)變，無論是膨脹還是收縮，都由支柱的方向、極化和電場決定。之后將壓電支柱放置在空間布局中，將局部的應(yīng)變與全局運動相對應(yīng)。

圖1 超材料的應(yīng)變模式設(shè)計

機器人超材料的增材制造
作者團(tuán)隊通過多材料的增材制造技術(shù)將壓電相、結(jié)構(gòu)相和導(dǎo)電相組裝成復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)：首先將帶負(fù)電荷的樹脂和高負(fù)載的納米粒子膠體選擇性地沉積到平臺上（圖2A），然后將導(dǎo)電相選擇性地沉積到樹脂上，形成帶有立體微結(jié)構(gòu)的電極（圖2B），然后，在高溫下通過強電場通過沉積的金屬使結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷極化（圖2E），極化后，未被電極覆蓋的區(qū)域保持未極化的狀態(tài)，并被用作結(jié)構(gòu)相。而其他陶瓷如碳化硅也可以作為結(jié)構(gòu)相，以提高超材料的剛度。這種制造方式實現(xiàn)了精確、低孔隙率和微尺度結(jié)構(gòu)的裝飾有導(dǎo)電金屬并具有壓電特性的3D陶瓷晶格。

圖2 機器人超材料的制造

可程序控制的應(yīng)變和可感知的微型機器人
通過嵌入電極的微結(jié)構(gòu)，作者團(tuán)隊演示了通過局部電極和微結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)的應(yīng)變放大、應(yīng)變復(fù)合和應(yīng)變加減，如圖3所示；機器人可通過逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)運動，通過壓電效應(yīng)實現(xiàn)自身感受并通過外部監(jiān)測信號實現(xiàn)反饋控制。

圖3 多自由度的應(yīng)變放大和可編程的應(yīng)變特性

基于開發(fā)的壓電驅(qū)動器特性，作者將壓電驅(qū)動器模塊組裝成運動結(jié)構(gòu)（圖4），該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)自主的移動，感知周圍環(huán)境變化并作出適當(dāng)反應(yīng)，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)壓電材料的壓電特性。在集成了超聲波模塊之后，微型機器人能夠自主地檢測障礙并且實施避障操作，從而實現(xiàn)自主決策。這項研究通過創(chuàng)新的智能結(jié)構(gòu)設(shè)計，有望在智能傳感、自主探測和機器人智能控制等方面有所突破。

圖4刺激響應(yīng)的多模態(tài)移動微型機器人

參考文獻(xiàn)：
H. Cui, D. Yao, R. Hensleigh, H. Lu, A. Calderon, Z. Xu, S. Davaria, Z. Wang, P. Mercier, P. Tarazaga, X. Zheng, Design and printing of proprioceptive three-dimensional architected robotic metamaterials, Science 376(6599) (2022) 1287-1293.