点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:“出生”即可工作 有触觉的4D打印软体机器人来了
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

“出生”即可工作 有触觉的4D打印软体机器人来了

来源:科技日报2021-10-14 10:19

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  近日,天津大学材料学院教授封伟研发了一种具备自主行动能力和触觉应变的4D打印软体机器人,该机器人在一次打印成型后即具有热致无约束滚动能力,无需任何其他后续加工程序。

  该研究成果在《细胞》出版社旗下顶尖期刊《物质》发表。

  传统制造方法限制了软体机器人“智能”

  软体机器人是一种新型柔韧机器人,他们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。同传统机器人相比,它们灵活、适应性强,危险性更小。但是目前,软体机器人主要采用手工装配工艺制造。制造方法的局限性导致了生产困难,限制了材料选择范围,并且难以获得复杂的驱动性能,特别是无限制的自主运动和感知能力。

  相比之下,3D打印(增材制造技术)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。

  “我们在3D打印的基础上,为软体机器人制造增加‘时间’维度——即4D打印,将智能材料加工成对热刺激具有响应行为的动态结构材料。”封伟介绍,我们希望通过4D打印能获得具有感知能力和适应性的智能软体机器人,而不是仅仅只会变形的致动器。如果软体机器人能具有更丰富的驱动现象,就可以模仿更多动物或人的行为,实现智能化,也就是人工智能。而目前的研究多数都是基于弯曲变形的致动器,这仅仅是初步的刺激响应性能。

  4D打印直接获得智能软体机器人

  通过4D打印直接获得智能软体机器人是一个巨大的挑战。

  封伟团队通过4D打印对液晶弹性体智能材料进行精确加工,直接获得了具有感知能力和适应性的智能软体机器人。“液晶弹性体是一种交联的聚合物网络,可将各向异性的刚性介晶单元连接在聚合物网络中,其特殊的结构将橡胶的弹性和液晶的各向异性有机结合起来,产生特殊的光学和物理特性。”封伟介绍,由于晶体内的原子定向排布导致液晶各个方向上所体现出来的性质都不一样,这就是各向异性。

  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准墨水直写打印技术。在此过程中,刚性介晶单元被直接写入具有可控分子序列的三维结构中。由于介晶排列顺序是通过打印路径设置的,因此不同的排列顺序可以实现不同的刺激响应性能。

  封伟团队通过全新的液晶弹性体热驱动现象,得到了一种具备自主行动能力和触觉应变的4D打印软体机器人。该机器人在一次打印成型后即具有热致无约束滚动能力,无需任何其他后续加工程序,制作简单快速,重复性好。

  “最让我们惊喜的是这种机器人的自主性,以及在遇到障碍物时的智能仿生行为。机器人的滚动稳定有力,而速度和方向可通过改变形状和尺寸进行调整。”封伟表示。

  当放置于160℃的热台上时,4D打印的矩形软体机器人变形为螺旋管状,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。而滚动的方向由螺旋管的曲率方向控制,可以轻松改变。这种管状机器人的整个驱动过程是自动的,无需改变环境因素,完全能在脱离人工控制的情况下完成任务。由于软体机器人显示出一定的黏弹特性和相当大的滚动驱动力,所以即使以一定角度放置在倾斜的加热板上时,依然可以向上滚动。

  可装载机器人自重40倍的货物

  相比于在日常环境中执行精确和重复性工作,机器人在极端环境中的工作更为不可替代。比在如酷热、寒冷、辐射、深水、真空和其他条件下执行智能和受控任务,对所有类型的机器人来说都是极具挑战性的。而与具有刚性系统的普通金属机器人相比,软体机器人在极端环境中的工作能力更为有限,特别是在极端高温条件下。

  目前的软体机器人,特别是由单种材料组成的软体机器人,走向人工智能的道路依旧漫长而艰难。

  封伟团队此次研制的4D打印软体机器人,由于螺旋圆筒的曲率方向控制滚动方向的特性使得这种软体机器人具有类似昆虫触角的触觉感知能力,能够探测前方道路上的障碍物,根据障碍物的高低实现翻越或折返,从行为学上体现了一定的智能性。比如当机器人穿越未知的固定长度路径时,将能实现3种场景:在预定时间内穿越意味着滚动路径中不存在障碍物;比预定时间穿越的慢意味着未知路径稍微被阻塞;机器人返回起点意味着未知路径被严重或完全阻塞。

  此外货物运输也是无约束软体机器人的一个重要应用。“虽然我们的机器人只能向前和向后移动,但它依然可以用于点对点货物运输。”封伟介绍:“管状机器人的空心圆筒为线形物体提供了装载空间。为了测试管状机器人在非线形物体情况下的运输能力,我们设计了一个类似于地牛的小型牵引装置,整个装置可以在加热板上以恒定速度移动。这表明这种软体机器人可以应用于在极端高温环境中执行货物运输任务。”

  通过增加样品长度,软体机器人可显著提高运输能力。如果样品长度增加到米级时,管状机器人的运输能力可能会增加一个数量级,装载货物的最大容量可达机器人重量的40倍。

  陈 曦

[ 责编:涂子怡 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 西康高铁沿线车站挂牌

  • 中国妇女事业发展成就图片展在莫斯科举行

独家策划

推荐阅读
“遥感是人们在距离和感官上的延伸,是认知地球、探查资源、监测环境的重要技术手段。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、湖南省科学技术协会、中南大学、光明网联合承办。
2026-03-20 09:42
每年春季,花粉过敏会给不少人带来困扰。该检测试剂盒采用微量血清特异性洋白蜡花粉过敏原IgE定量检测,用以辅助诊断,成为目前用于花粉症精准诊断的主要方法。
2026-03-20 09:39
3月18日,记者从新疆电力交易中心有限公司获悉,自2010年启动“疆电外送”以来,新疆累计外送新能源电量已达3043.6亿千瓦时,约占总外送电量的三成。
2026-03-20 09:39
吕小康:从现实语义上看,情感AI既指能够识别、理解、模拟和响应人类情感的人工智能技术,也指基于这类技术设计和开发的情感智能体。吕小康:为引导青年群体健康使用情感AI,还需要进一步加强协同治理,培育积极有益的陪伴型人工智能应用环境。
2026-03-20 09:36
据3月17日农情调度,全国早稻育秧已三成半,同比略快。据介绍,北方冬小麦当前的田管重点是继续促进弱苗转化升级,抓好病虫防控,防范春旱、倒春寒、干热风等灾害。“近日国家启动投放1000余万吨氮磷及复合肥储备,作为国家化肥储备重要承储主体,全国供销合作社系统农资企业积极按要求将储备化肥及时集中投放市场,稳定市场价格。
2026-03-20 09:36
小时候我们背过一句话:万物由原子组成。这一路走来,从质子的异常,到夸克模型的提出,再到量子色动力学和标准模型的建立,人类把物质拆解到了17种基本粒子的层级。曾获国家六部委回国人员成就奖、德国洪堡研究奖、吴有训物理奖、中国科学院优秀研究生导师奖。
2026-03-20 09:35
吴晓民(右一)团队在野外工作。藏羚羊曾广泛分布于高原全境,其漫长的演化史与复杂的种群波动,始终是全球动物保护与演化生物学领域关注的焦点。研究团队还通过生态位模拟,锁定了藏羚羊的生命庇护所——青藏高原北部的可可西里、羌塘高原等区域。
2026-03-19 10:11
通知明确,各城市群应优先选择具备条件的燃料电池汽车、绿色氨醇、氢基化工原料替代、氢冶金以及掺氢燃烧等应用场景开展试点,积极探索氢能创新应用场景,形成“1个燃料电池汽车通用场景+N个工业领域应用场景+X个创新应用场景”的氢能综合应用生态。通知要求,氢能综合应用试点以城市群为主体开展申报,城市群应立足自身资源条件,因地制宜、宜氢则氢,避免各场景一拥而上、低水平重复建设。
2026-03-19 10:10
2026中关村论坛年会将于3月25日至29日在北京举办。
2026-03-19 10:04
日前发布的《中国地热产业发展报告2025》显示,我国地热产业多元化利用格局正在形成。在地热供暖发展带动下,我国地热产业规模长期稳居世界第一。
2026-03-19 10:00
由于土豆块茎外形粗陋、埋于地下,又不见于《圣经》,一度被殖民者视为“魔鬼之根”或带毒之物。另一方面,随着城市扩张与人口增长,粮食压力加剧,土豆因高产、耐寒、适宜在小块土地种植而被人们重视。
2026-03-19 10:00
作者:刘琦 仇焕广(分别系中国人民大学助理教授,辽宁大学党委常委、副校长)  今年《政府工作报告》提出,“推进先进适用农机装备研发应用,打通农业科技推广‘最后一公里’”。
2026-03-19 09:59
为此,生态环境法典针对重点流域、重要生态单元设置专门规范,明确长江、黄河等重点区域一体化保护要求,建立协同机制。生态环境法典第三编第六章“生态退化的预防和治理”,整合水土保持法、防沙治沙法的有关规定,分为水土保持、防沙治沙两节。
2026-03-18 09:38
“‘两弹一星’不是孤立的科技突破,而是面向国家需求‘从0到1’的科技创新。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、安徽省科学技术协会、安徽农业大学、光明网联合承办。
2026-03-18 09:27
对于1型糖尿病患者而言,胰腺中那些负责分泌胰岛素、调节血糖的胰岛β细胞,被自身免疫系统错误地当成了“入侵者”,日复一日地遭受攻击,直至彻底损毁。这3个病例,分别代表中国乃至全球再生医学领域的3个“首次”——世界首例自体、中国首例异体、世界首例青少年再生胰岛移植治疗1型糖尿病。
2026-03-18 09:27
记者3月17日从国家能源局获悉,2026年1至2月,全社会用电量累计16546亿千瓦时,同比增长6.1%。从分产业用电看,第一产业用电量223亿千瓦时,同比增长7.4%;第二产业用电量10279亿千瓦时,同比增长6.3%,其中,工业用电量同比增长6.4%,高技术及装备制造业用电量同比增长10.6%;第三产业用电量3231亿千瓦时,同比增长8.3%,其中,充换电服务业、互联网数据服务业用电量增速分别达到55.1%、46.2%。
2026-03-18 09:26
当前,以家庭农场、农民合作社、龙头企业为代表的新型农业经营主体已成为“强农兴村”的中坚力量,发展成效显著。夯实联农带农长效机制,还需构建多层次、可落地的政策环境,让农业经营主体有动力、有能力、有底气带动小农户共同增收。
2026-03-18 09:26
在成都温江区,骑行爱好者李先生沿着北林绿道前行,穿梭在虫鸣鸟叫、淡淡花香之中。”  一幅幅充满生机的新春图景,正是成都加快建设践行新发展理念的公园城市示范区的生动注脚。
2026-03-18 09:26
分享几个故事,一起走进地球科学的世界。
2026-03-16 18:39
工业和信息化部、财政部、国家发展改革委日前印发《关于开展氢能综合应用试点工作的通知》。通知提出,通过城市群试点,将氢能应用场景由燃料电池汽车向交通、工业等具备条件的多元领域拓展。
2026-03-17 09:35
加载更多