近日，天津大學(xué)材料學(xué)院教授封偉研發(fā)了一種具備自主行動(dòng)能力和觸覺(jué)應變的4D打印軟體機器人，該機器人在一次打印成型后即具有熱致無(wú)約束滾動(dòng)能力，無(wú)需任何其他后續加工程序。

該研究成果在《細胞》出版社旗下..期刊《物質(zhì)》發(fā)表。

傳統制造方法限制了軟體機器人“智能”

軟體機器人是一種新型柔韌機器人，他們能夠適應不同的非結構化環(huán)境，更好、更安全地與人類(lèi)進(jìn)行交互。同傳統機器人相比，它們靈活、適應性強，危險性更小。但是目前，軟體機器人主要采用手工裝配工藝制造。制造方法的局限性導致了生產(chǎn)困難，限制了材料選擇范圍，并且難以獲得復雜的驅動(dòng)性能，特別是無(wú)限制的自主運動(dòng)和感知能力。

相比之下，3D打印(增材制造技術(shù))可以基于數字模型自動(dòng)準確地將設計思想轉化為復雜零件，從而顯著(zhù)提高生產(chǎn)效率和制造靈活性。

“我們在3D打印的基礎上，為軟體機器人制造增加‘時(shí)間’維度——即4D打印，將智能材料加工成對熱刺激具有響應行為的動(dòng)態(tài)結構材料?！狈鈧ソ榻B，我們希望通過(guò)4D打印能獲得具有感知能力和適應性的智能軟體機器人，而不是僅僅只會(huì )變形的致動(dòng)器。如果軟體機器人能具有更豐富的驅動(dòng)現象，就可以模仿更多動(dòng)物或人的行為，實(shí)現智能化，也就是人工智能。而目前的研究多數都是基于彎曲變形的致動(dòng)器，這僅僅是初步的刺激響應性能。

4D打印直接獲得智能軟體機器人

通過(guò)4D打印直接獲得智能軟體機器人是一個(gè)巨大的挑戰。

封偉團隊通過(guò)4D打印對液晶彈性體智能材料進(jìn)行..加工，直接獲得了具有感知能力和適應性的智能軟體機器人?！耙壕椥泽w是一種交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò )，可將各向異性的剛性介晶單元連接在聚合物網(wǎng)絡(luò )中，其特殊的結構將橡膠的彈性和液晶的各向異性有機結合起來(lái)，產(chǎn)生特殊的光學(xué)和物理特性?！狈鈧ソ榻B，由于晶體內的原子定向排布導致液晶各個(gè)方向上所體現出來(lái)的性質(zhì)都不一樣，這就是各向異性。

通過(guò)改造基于熔融沉積技術(shù)的3D打印機，團隊實(shí)現了液晶彈性體的精準墨水直寫(xiě)打印技術(shù)。在此過(guò)程中，剛性介晶單元被直接寫(xiě)入具有可控分子序列的三維結構中。由于介晶排列順序是通過(guò)打印路徑設置的，因此不同的排列順序可以實(shí)現不同的刺激響應性能。

封偉團隊通過(guò)全新的液晶彈性體熱驅動(dòng)現象，得到了一種具備自主行動(dòng)能力和觸覺(jué)應變的4D打印軟體機器人。該機器人在一次打印成型后即具有熱致無(wú)約束滾動(dòng)能力，無(wú)需任何其他后續加工程序，制作簡(jiǎn)單快速，重復性好。

“.讓我們驚喜的是這種機器人的自主性，以及在遇到障礙物時(shí)的智能仿生行為。機器人的滾動(dòng)穩定有力，而速度和方向可通過(guò)改變形狀和尺寸進(jìn)行調整?！狈鈧ケ硎?。

當放置于160℃的熱臺上時(shí)，4D打印的矩形軟體機器人變形為螺旋管狀，并在加熱板上自動(dòng)開(kāi)始滾動(dòng)。調整大小可以改變機器人的滾動(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。這種管狀機器人的整個(gè)驅動(dòng)過(guò)程是自動(dòng)的，無(wú)需改變環(huán)境因素，完全能在脫離人工控制的情況下完成任務(wù)。由于軟體機器人顯示出一定的黏彈特性和相當大的滾動(dòng)驅動(dòng)力，所以即使以一定角度放置在傾斜的加熱板上時(shí)，依然可以向上滾動(dòng)。

可裝載機器人自重40倍的貨物

相比于在日常環(huán)境中執行..和重復性工作，機器人在極端環(huán)境中的工作更為不可替代。比在如酷熱、寒冷、輻射、深水、真空和其他條件下執行智能和受控任務(wù)，對所有類(lèi)型的機器人來(lái)說(shuō)都是極具挑戰性的。而與具有剛性系統的普通金屬機器人相比，軟體機器人在極端環(huán)境中的工作能力更為有限，特別是在極端高溫條件下。

目前的軟體機器人，特別是由單種材料組成的軟體機器人，走向人工智能的道路依舊漫長(cháng)而艱難。

封偉團隊此次研制的4D打印軟體機器人，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器人具有類(lèi)似昆蟲(chóng)觸角的觸覺(jué)感知能力，能夠探測前方道路上的障礙物，根據障礙物的高低實(shí)現翻越或折返，從行為學(xué)上體現了一定的智能性。比如當機器人穿越未知的固定長(cháng)度路徑時(shí)，將能實(shí)現3種場(chǎng)景：在預定時(shí)間內穿越意味著(zhù)滾動(dòng)路徑中不存在障礙物;比預定時(shí)間穿越的慢意味著(zhù)未知路徑稍微被阻塞;機器人返回起點(diǎn)意味著(zhù)未知路徑被嚴重或完全阻塞。

此外貨物運輸也是無(wú)約束軟體機器人的一個(gè)重要應用?！半m然我們的機器人只能向前和向后移動(dòng)，但它依然可以用于點(diǎn)對點(diǎn)貨物運輸?！狈鈧ソ榻B：“管狀機器人的空心圓筒為線(xiàn)形物體提供了裝載空間。為了測試管狀機器人在非線(xiàn)形物體情況下的運輸能力，我們設計了一個(gè)類(lèi)似于地牛的小型牽引裝置，整個(gè)裝置可以在加熱板上以恒定速度移動(dòng)。這表明這種軟體機器人可以應用于在極端高溫環(huán)境中執行貨物運輸任務(wù)?！?/span>

通過(guò)增加樣品長(cháng)度，軟體機器人可顯著(zhù)提高運輸能力。如果樣品長(cháng)度增加到米級時(shí)，管狀機器人的運輸能力可能會(huì )增加一個(gè)數量級，裝載貨物的..容量可達機器人重量的40倍。

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