罗格斯大学研究人员受章鱼启发开发3D打印变形机器人

时间：2021-01-06 09:21 来源：中国3D打印网作者：中国3D打印网阅读：次

中国3D打印网1月6日讯，罗格斯大学（Rutgers University）的研究人员创造了光敏的3D打印人造“肌肉”，能够按需改变其外观和形状。该机器人设备基于一种新颖的水凝胶，其灵感来自于鱿鱼，乌贼和章鱼中的适应性细胞。一旦受到光刺激，弹性材料便能够收缩并改变颜色，从而有可能在未来的消费电子产品或军事伪装中得到应用。
研究报告的主要作者Howon Lee说：“电子显示器无处不在，尽管取得了显着进步，但它们基于刚性材料，限制了它们可以采用的形状。我们的研究支持一种采用伪装的新工程方法，可以将其添加到柔软的材料中并创建灵活的彩色显示。”

罗格斯研究小组的新型水凝胶基于在几种头足类动物中发现的变色细胞。通过NOAA Okeanos Explorer程序拍摄。
来自海底生物的灵感
章鱼与变色龙相似，因为它们能够可逆地改变肤色或质地以适应周围环境。对于这些海洋生物及其头足类表亲，该机制要么用于交流，要么逃避掠食者，但这种行为也引起了研究人员的兴趣。先前的研究发现，章鱼的独特能力归功于成千上万种在皮肤上自然生长的光反射细胞，称为染色体。尽管机理尚不完全清楚，但科学家确实知道这些细胞附着在肌肉上，而这些肌肉一旦被拉伸，就会打开包含有色色素的囊。
尽管以前曾尝试过头足类动物的色彩调制，但是复制品的感测和激活功能通常是分开进行的。结果，这些基于鱿鱼的设备具有庞大，复杂的控制系统，该系统会发出触发变色机制所需的磁信号。Rutgers团队使用其光响应人工发色团（或LAC），试图通过创建完全集成的自适应设备来克服这一问题。为了达到这个目的，工程师需要设计一种新颖的反应性水凝胶，一旦将其光固化，便会产生能够按需驱动的材料。

工程师的设备（如图）具有章鱼囊的复制品，其中包含黑白染料，章鱼囊在暴露于光源后便打开。图片来自“应用材料和界面”期刊。
工程师的伪装
         在研究过程中，研究小组开发了一种“智能凝胶”，该聚合物由负载有纳米粒子的聚合物组成，能够将光转化为热能，并迫使其发生驱动。使用新材料，该团队能够为LAC印刷光响应性肌肉，其中还具有“囊”和坚固的外部框架。
         组装完成后，该设备就具有感知和启动四种不同投影模式的能力，可以在两分钟内打开其复制囊。 LAC所显示的响应水平也证明了它能够进行复杂的反应，并且可以将其调制为“开”和“关”之间的设置。
        尽管LAC表现出了很高的保真度，但将三个连接在一起确实会导致它们之间发生“热泄漏”。同样，Rutgers团队也承认，通过进一步的研究可以提高设备的速度，灵敏度和耐用性，但是他们认为更广泛的方法是成功的。尽管工程师只测试了单色染料，但他们看不出为什么将来无法将其他颜色添加到设备的囊中以实现新颖的应用。他们建议使用较亮的颜色，使其成为打印显示器的理想之选，而基于地形的阴影可能为士兵提供敌人的伪装。
3D打印的基于生物的创作
       尽管Rutgers团队的方法是独特的，但他们远非第一批研究人员，而是基于自然界中发现的机制的3D打印软机器人设备。康奈尔大学的科学家也受到了头足类动物的启发，并用3D打印出了具有栩栩如生的肌肉排列的复制章鱼触手。使用弹性体作为基础可以使团队以更大的设计自由度来制造物体，并获得比以前更复杂的形状。

同时，佐治亚理工学院的研究人员将他们的机器人基于温血哺乳动物，并3D打印了节能的“ SlothBot”。该设备目前正在亚特兰大植物园上空使用，用于监视动物。，植物和下面的环境。
在其他地方，康奈尔（Cornell）的另一个团队从更近的地方吸取了灵感，并3D打印了能够“排汗”的机器人肌肉。该设备柔软的手指状致动器使它能够保留水，以后可以用来防止自身过热。在长时间使用过程中出汗。

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