“天生”可以工作 触觉4D印刷软机器人来了

近日，天津大学材料学院教授冯伟研发了一款具有自主动作能力和触觉应变能力的4D印刷软机器人。机器人能够在一次印刷和成型后进行热诱导无约束轧制，无需任何其他后续加工程序。

研究成果发表于《细胞》出版社顶级期刊《物质》。

传统的制造方法限制了软机器人的“智能”。

软机器人是一种新型的柔性机器人，能够适应不同的非结构化环境，更好、更安全地与人类进行交互。与传统机器人相比，它们灵活、适应性强、危险性小。然而，目前软机器人主要采用手工装配工艺制造。制造方法的限制导致生产困难，限制了材料选择的范围，难以获得复杂的驾驶性能，尤其是无限的自主运动和感知。

相比之下，3D打印(添加制造技术)可以基于数字模型自动准确地将设计思想转化为复杂零件，从而显著提高生产效率和制造灵活性。

“在3D打印的基础上，我们在软机器人制造中增加了‘时间’维度——，即4D打印，将智能材料加工成响应热刺激的动态结构材料。”冯伟介绍，我们希望通过4D印刷获得具有感知能力和适应性的智能软机器人，而不仅仅是一个只能变形的执行器。如果软机器人能有更多的驱动现象，就能模仿更多动物或人的行为，实现智能化，即人工智能。目前，大多数研究都是基于具有弯曲变形的执行器，这只是一种初步的刺激响应表现。

通过4D印刷直接获得智能软机器人。

通过4D印刷直接获得智能软机器人是一个巨大的挑战。

冯伟团队通过4D印刷精准加工液晶弹性体智能材料，直接获得了具有感知和适应性的智能软机器人。“液晶弹性体是一种交联的聚合物网络，可以将聚合物网络中各向异性的刚性介晶单元连接起来。其特殊的结构将橡胶的弹性与液晶的各向异性有机结合，产生特殊的光学和物理性能。”冯伟介绍，由于晶体中原子的定向排列，液晶的性质在各个方向上是不同的，这就是所谓的各向异性。

通过改造基于熔融沉积技术的3D打印机，团队实现了液晶弹性体的精密墨水直写打印技术。在这个过程中，刚性介晶单元被直接写入分子序列可控的三维结构中。因为介晶的排列顺序是通过印刷路径设定的，不同的排列顺序可以达到不同的刺激反应表现。

冯伟的团队通过全新的液晶弹性体热驱动现象，得到了一台具有自主行动能力和触觉应变的4D印刷软机器人。该机器人在印刷和成型一次后具有热诱导无约束轧制的能力，并且不需要任何其他后续加工程序。制作简单快捷，重复性好。

“最让我们惊讶的是这款机器人的自主性和遇到障碍物时的智能仿生行为。机器人滚动平稳有力，速度和方向可以通过改变形状和大小来调节。”冯伟说。

当放置在160的加热台上时，4D印刷的矩形软机器人变形为螺旋管形状，并在加热板上自动开始滚动。调整大小可以改变机器人的滚动速度。滚动方向由螺旋管的曲率方向控制，易于改变。这种管状机器人的整个驱动过程是自动的，不改变环境因素，无需人工控制即可完成任务。由于软机器人表现出一定的粘弹性和相当大的滚动驱动力，即使以一定角度放置在倾斜的加热板上，它仍然可以向上滚动。

它可以装载40倍于机器人自身重量的货物。

相对于在日常环境中执行精确重复的工作，机器人在极端环境中的工作更具有不可替代性。在极热、极寒、辐射、深水、真空等条件下，所有类型的机器人执行智能和受控任务都极具挑战性。与常见的刚性系统金属机器人相比，柔性机器人在极端环境下，特别是在极端高温下的工作能力更加有限。

目前，由单一材料组成的软机器人，尤其是软机器人，在走向人工智能的道路上仍然任重而道远。

冯伟团队研发的4D印花软机器人，由于螺旋圆柱体的曲率方向控制滚动方向的特性，具有类似昆虫触角的触觉感知能力，可以检测前方道路上的障碍物，并根据障碍物的高度实现穿越或折返，从行为角度表现出一定的智能性。例如，当机器人穿越未知的定长路径时，可以实现三种场景：在预定时间内穿越意味着滚动路径中没有障碍物；穿越慢于预定时间意味着未知路径被轻微阻塞；机器人返回起点意味着未知路径被严重或完全阻断。

此外，货物运输也是无约束软机器人的重要应用。“虽然我们的机器人只能前后移动，但仍然可以用于点对点的货物运输。”冯伟介绍：“管状机器人的中空圆柱体为线性物体提供了装载空间。为了测试管状机器人在非线性物体情况下的运输能力，我们设计了一个类似牛的小型牵引装置，整个装置可以在加热板上匀速运动。这说明这种软机器人可以用于在极高温度环境下执行货物运输任务。”

通过增加样本长度，软机器人可以显著提高运输能力。如果样品长度增加到米，管状机器人的运输能力可能增加一个数量级，装载货物的最大能力可以达到机器人重量的40倍。