利用包含感覺(jué)、移動(dòng)、結(jié)構(gòu)元素的超材料
3D打印“元機(jī)器人”能一步構(gòu)建
科技日?qǐng)?bào)北京6月16日電 （記者張夢(mèng)然）美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的工程師團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種可一步構(gòu)建機(jī)器人的新設(shè)計(jì)策略和3D打印技術(shù)。這項(xiàng)研究進(jìn)展發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，展現(xiàn)了各種能夠行走、機(jī)動(dòng)和跳躍的微型機(jī)器人的構(gòu)造。
此次打印的超材料由包含感覺(jué)、移動(dòng)和結(jié)構(gòu)元素的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)組成，可按照程序設(shè)置自行移動(dòng)。由于移動(dòng)和傳感的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)已就位，唯一需要的外部組件就是為機(jī)器人供電的小電池。而新方法的關(guān)鍵是壓電超材料的設(shè)計(jì)和印刷，壓電超材料是一種復(fù)雜的晶格材料，可響應(yīng)電場(chǎng)改變形狀和移動(dòng)，或基于物理力而產(chǎn)生電荷。
該項(xiàng)研究的首席研究員、UCLA工程學(xué)院助理教授鄭小雨表示，新方法將有助于發(fā)展一類自主材料，其可取代目前制造機(jī)器人的復(fù)雜組裝過(guò)程。新方法將復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)、多種傳感模式和可編程決策能力緊密集成在一起，類似于生物系統(tǒng)中的神經(jīng)、骨骼和肌腱協(xié)同工作，以執(zhí)行受控運(yùn)動(dòng)。
研究團(tuán)隊(duì)展示了這種機(jī)器人與板載電池和控制器的集成，以實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)器人的完全自主操作，每個(gè)機(jī)器人都有指甲那么大。這些“元機(jī)器人”有望帶來(lái)生物醫(yī)學(xué)機(jī)器人的新設(shè)計(jì)，如自轉(zhuǎn)向內(nèi)窺鏡或體內(nèi)“游泳機(jī)器人”；未來(lái)其還可探索危險(xiǎn)環(huán)境，如在倒塌的建筑物中快速進(jìn)入密閉空間，評(píng)估危險(xiǎn)級(jí)別并尋找被困在瓦礫中的人。
研究人員稱，他們的驅(qū)動(dòng)元件可在整個(gè)機(jī)器人中精確布置，以在各種類型的地形上進(jìn)行快速、復(fù)雜和擴(kuò)展的運(yùn)動(dòng)。他們還提出一種設(shè)計(jì)機(jī)器人材料的方法，以便用戶可制作自己的模型并將材料直接打印到機(jī)器人中。
研究人員演示了3個(gè)具有不同功能的“元機(jī)器人”：一個(gè)展示了繞過(guò)S形拐角和隨機(jī)放置障礙物的能力；另一個(gè)可在撞擊時(shí)逃跑；第3個(gè)可在崎嶇的地形上行走，甚至可小幅度跳躍。
【總編輯圈點(diǎn)】
將電能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的活性材料，用在機(jī)器人身上并不是什么新鮮事，但這些機(jī)器人通常運(yùn)動(dòng)范圍有限、行進(jìn)距離不足，即使運(yùn)動(dòng)的話也不能脫離類似變速箱的傳動(dòng)系統(tǒng)。而且大多數(shù)機(jī)器人，無(wú)論其大小如何，通常都是由一系列復(fù)雜的制造步驟構(gòu)建的。正是這些步驟，集成了機(jī)器人的肢體、電子和有源組件；但也正是這些過(guò)程，導(dǎo)致了更重的重量、更大的體積和更少的力輸出。相比之下，UCLA開(kāi)發(fā)的機(jī)器人材料由復(fù)雜的壓電和結(jié)構(gòu)元件組成，這些元件的結(jié)構(gòu)巧妙滿足了高速伸展、彎曲、扭曲、旋轉(zhuǎn)、膨脹或收縮的運(yùn)動(dòng)能力——而這么靈活的機(jī)器人，每一個(gè)僅硬幣大小。