爬坡,这款4D打印软体机器人“能行”

科技潮物 2022-04-22

  天津大学材料学专家封伟与合作者设计出一种4D打印的软体机器人。该原型机是管状的,能在加热时自我组装,并可以承担挑战性任务,比如爬坡、在崎岖不平和不可预知的地形中行进。相关论文发表在9月22日发表于《物质》杂志。

  “就像有触角的昆虫一样,机器人可以跨越一个小障碍。但当障碍太高时,它会返回。”论文通讯作者封伟说,“整个过程是自发的,没有人为干预或控制。”

  开始时,机器人是一片3D打印液晶弹性体(一种有弹性的塑料材料)扁平矩形薄片。当下表面被加热时,机器人会自动扭曲,形成一个类似弹簧的小管。在外部刺激下的形状变化在打印过程中增加了第四个维度——时间,使其成为4D。

  一旦机器人变成一个小管,热表面的接触就会在材料中产生应变,导致其向一个方向滚动。这种运动背后的驱动力十分强大,以至于机器人可以爬上20°的斜坡,甚至可以扛起相当于自身重量40倍的重物。而且,机器人的长度影响其速度,长机器人比短机器人滚动得更快。

  研究人员拍摄了展示机器人技能的视频,包括不同大小的机器人和机器人推车的比赛。视频还展示了机器人行为是如何根据周围环境而改变的,当遇到不可逾越的障碍时,机器人要么爬上台阶,要么改变方向。

  机器人的这些行为也让封伟感到意外。“我们通过4D打印将液晶弹性体加工成各种形状的样品,并用光、热和电刺激这些样品来观察它们的反应。”他说,“除了变形,我们还发现了很多有趣的推进现象。”

  在未来,这些软体机器人可能被用于在管道等狭小、封闭的地方或在200℃的极端条件下工作。“我们希望软体机器人不再局限于被用作简单的驱动器——只能在一个固定的位置改变形状。”封伟说。

  相关论文信息:

  https://www.doi.org/10.1016/j.matt.2021.08.014