隨著人工智能技術的進步，智能機器人產業(yè)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。實際上，“機器人”一詞最早出現在1921年卡雷爾·卡佩克（KarelCapek）創(chuàng)作的一部科幻劇中。

目前大多數機器人，無論其大小，通常都是通過一系列復雜的制造步驟構建的，這些步驟集成了肢體、電子和有源組件。與用提供不同功能的獨立部件來建造機器人相比，用多功能超材料建造的機器人具有一定的優(yōu)勢。超材料是一種由重復圖案組成的合成結構，旨在表現出理想的宏觀特性。

與大宗材料不同，超材料的行為受其工程結構的制約，而不是純粹由其材料構成驅動。增材制造技術，如3D打印，已經加速了復雜的超材料的制造，其規(guī)模越來越小，功能也前所未有。傳統上，制造機器人依賴于組裝離散的執(zhí)行器、傳感器、微處理器和電源。機器人超材料通過在超材料的周期性結構中構思自主性來挑戰(zhàn)這種模式。

從歷史上看，超材料的研究主要集中在光學應用上，例如具有超出普通透鏡和反射鏡能力的可調諧光學特性的超材料。然而，近年來，研究人員越來越多地轉向在其他領域采用這種設計原理。比如無需使用傳動齒輪即可將線性運動轉換為旋轉的機械超材料，或能夠按需調整剛度或變形等體積特性的鑲嵌機器人群。創(chuàng)造機器人超材料的另一條途徑是在結構中體現“機器人任務”。例如，人們可以設計一種超材料，其變形可以通過電信號進行控制。

鑒于此，《Science》期刊曾在線發(fā)表了加州大學洛杉磯分校的鄭小雨教授團隊的新成果。該團隊開發(fā)了一種新的設計策略和 3D 打印技術，可以一步構建機器人。第一作者為崔華晨。

具體而言，作者開發(fā)了一種合理設計壓電超材料的方法，該材料由無源、壓電有源和導電相組成，可以執(zhí)行一些機器人任務（Figure1）。所需的變形模式，例如扭曲，近似為一些通過結構的離散平面的運動。

反過來，這些平面的允許運動將告知結構相、致動器和電極應如何在壓電超材料內組織以產生目標運動。在經典的彈性理論中，彈性材料的變形以拉伸、壓縮和剪切為特征。本文作者應用了微極彈性，通過在平移之上結合旋轉來擴展經典彈性。這種方法能夠更全面地評估壓電超材料的宏觀膨脹、剪切、扭曲和彎曲對其微結構、極化和施加的電場。

Figure 1. 示意圖

【實驗設計】

架構材料的核心概念是在 3D 單元拓撲中不受限制地放置材料，繞過天然晶體固有的限制或模仿它們以實現所需的特性。為此，作者引入了一種方便且強大的策略來構建 3D 空間中的壓電活性、導電和結構相（圖 1A）。因為現有的壓電張量不足以描述所有的自由度，作者在 Cosserat 固體的基礎上定義了廣義壓電張量來描述架構壓電材料的應變轉換（圖 1B）。微結構的具體結構（晶胞）如圖1C-1K所示。

圖 1. 具有任意應變模式的機器人超材料的合理設計

【機器人超材料的增材制造】

作者開發(fā)了一種電荷程序化多材料增材制造技術，能夠將壓電活性相、結構相和導電相組裝成復雜的3D微架構。首先，通過多材料3D打印系統（材料和方法）打印帶負電荷的樹脂和高負載的納米粒子膠體，如圖2A所示。然后將導電相選擇性地沉積在帶電樹脂上，形成帶有電極的 3D 微架構（圖 2B）。

此外，氧化鉛用于提供液體密封和富鉛環(huán)境，以抑制 PZT 在高于 800°C 的溫度下的鉛蒸發(fā)（圖 2D）。這種 3D 制造方法允許制造具有精確、微尺度 3D 結構和低孔隙率的壓電活性材料（圖 2E-2H）。總之，作者使用具有空間編程靜電荷的多材料立體光刻系統，并在選定區(qū)域制造了裝飾有導電金屬和壓電特性的3D陶瓷晶格。

圖 2. 多材料制造平臺

【多自由度放大和程序化應變】

由增材制造的機器人超材料可以使用電場到機械應變的雙向轉換來產生運動和傳感。逆壓電效應賦予機器人驅動能力，而直接和雙向壓電效應分別通過本體感受（自我監(jiān)測）和外感受（接觸檢測和遙感）實現反饋控制。超材料的拓撲結構允許將電極直接放置在壓電活性支柱上，從而產生更強的電場并放大驅動應變。

圖 3. 機器人超材料設計的實驗驗證

同時，作者巧妙地將驅動和感知交織在一個輕巧的微型復合3D格子中，該格子可以四處移動并感知周圍環(huán)境。然后，作者通過設計板載控制系統和電源，朝著不受束縛的實施邁出了一步。這種系統級集成雖然很少見，但可以充分挖掘現實世界場景中快速發(fā)展的機器人材料的全部潛力，并找出它們的缺點。

考慮到這里討論的移動壓電超材料，壓電活性元件的布線仍然是增強其多功能性的限制因素，而分配功率和分散控制仍然是需要克服的障礙。盡管存在這些限制，但作者證明，當移動性和不受約束的自主性不是必需的時，一塊壓電架構可以用作具有六個自由度的緊湊型3D打印機械手，即能夠沿所有三個軸平移并圍繞所有三個軸旋轉。

圖 4. 刺激響應多模式移動微型機器人

審核編輯 ：李倩