研究人员4D打印管状软机器人，可自行滚动和攀爬

时间：2021-10-08 08:03 来源：中国3D打印网作者：admin 阅读：次

中国3D打印网10月8日讯，中国天津大学的研究人员已经 4D 打印了一个能够自行漫游的自走式软机器人。管状机器人由一种称为液晶弹性体的材料制成，它在接触热量时会自行组装。该设备利用巧妙编程的折叠模式在其自身体内产生压力，使其能够像原木一样翻滚。除了穿越平面外，4D 打印的软体机器人还能够完成更具挑战性的任务，例如爬上 20° 的斜坡，甚至拖动高达自身质量 40 倍的负载。
“就像一只有触角的昆虫，机器人可以克服一个小障碍。但是当障碍物太高时，它会折返，”天津大学材料科学家、该研究的资深作者魏峰说。 “整个过程是自发的，没有人为干预或控制。”

3D 打印和加热软机器人。图片来自天津大学。
用于 4D 打印的液晶弹性体
         液晶弹性体是一种柔性塑料材料，可以在加热时收缩。这使其成为软机器人等可逆驱动应用的绝佳材料类别，特别是因为它们可用于产生大的工作密度。在天津大学软体机器人的案例中，研究人员 3D 打印了一块扁平的矩形液晶弹性体片，并将其下方的表面加热到 160°C 甚至更高。在这个温度下，来自下方表面的热量使机器人自身扭曲，形成类似于螺旋弹簧的小管形状。与加热表面的进一步接触会在材料中产生应变，使其通过蠕动运动自行滚动。打印后形状的变化（由热量引起）是使设备 4D 打印的原因，因为时间的第四个维度被添加到等式中。
        印刷后，软体机器人通过了一系列性能测试。研究人员发现它表现出非常强大的驱动力，使其能够爬上 20° 的斜坡并承载比自身重得多的负载。最终，该团队 4D 打印了几个机器人并使它们相互竞争，发现机器人的长度对其速度有巨大影响。其中一个较长的机器人跨越 10 厘米长，在平坦的表面上达到了 48 厘米/分钟的速度。“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以观察它们的反应，”魏峰补充说。 “除了变形之外，我们还发现了许多有趣的驾驶现象。”
        就未来的应用而言，天津研究人员希望看到他们的软机器人在管道等狭窄空间或在 200°C 以上的极端条件下工作。魏峰总结道：“我们希望软机器人不再局限于简单的执行器，只能在固定位置改变形状。”
       3D 打印赋予的设计自由使该技术成为软机器人等新型应用的非常有用的工具。今年早些时候，哈佛大学的研究人员还使用 3D 打印开发了一种软机器鱼群，它们能够在没有 Wi-Fi 或 GPS 帮助的情况下以复杂的模式游泳。受独特的栖息在礁石上的刺尾鱼的启发，该团队的“Bluebots”具有四个用于精确导航的鳍，以及一个 LED 和摄像头系统，使它们能够在不发生碰撞的情况下蜂拥而至。

在其他地方，瑞典林雪平大学的研究人员此前曾使用定制的基于挤压的 3D 打印机为软微型机器人开发了一套微执行器。致动器包含一种电活性聚合物，在存在电荷的情况下打印后会改变形状，赋予它们 4D 功能。

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