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

  • 吉隆泥石流灾害核心区搜寻工作持续推进

  • 铭记历史 缅怀先烈

独家策划

推荐阅读
草案不仅从法律上承认自动驾驶的合法身份,解决了“它是什么”的问题,还为其设立行为规范,发放“法律身份证”。
2026-09-04 09:17
开学后,一些孩子坐进教室才发现,黑板上的字看不清了,验光后发现近视。有些家长听说OK镜可以“晚上戴、白天摘”,还有助于延缓近视进展,准备给孩子配一副。孩子能不能佩戴OK镜?需要注意什么?
2026-09-04 09:32
据《自然》近日报道,根据9月1日联合国环境规划署(UNEP)发布的一份报告,按照当前的排放趋势,本世纪全球气温将较工业化前水平上升约1.8℃,这已是预期的最好结果。
2026-09-04 09:26
人类对寻找地外生命的执着,不仅是要证明人类并非宇宙“孤儿”,更重要的是,这可能带来能源、医学等领域的颠覆性突破。
2026-09-04 09:16
大地测量是国家安全的“隐形防线”,是航空航天和深空探测的“眼睛”,是国家基础设施建设的“尺子”和“秤”。
2026-09-04 09:17
全面了解我国管辖海域基础地质与海底构造特征,服务自然资源管理和国土空间规划“一张图”建设
2026-09-03 11:41
为更好地推动我国流感疫苗的预防接种,中国疾病预防控制中心近日发布《中国流感疫苗预防接种技术指南(2026—2027)》。
2026-09-03 11:39
高温超导带材有了更便宜、更结实的“骨架”。记者2日从中国科学院理化技术研究所获悉,该所科研团队成功研制出高温超导带材新型“骨架”——铁基合金基带(DW01)。用该基带制备的超导带材关键性能指标显著优于传统哈氏合金基带产品,标志着我国在实现高温超导带材核心材料自主可控上迈出重要一步。
2026-09-03 10:38
每天,我们的大脑都要承受成千上万条信息的狂轰滥炸。如果把这些经历和信息全盘照收,大脑很快就会像塞满垃圾文件的电脑一样“死机”。那么,大脑是如何在信息的海洋中去粗取精,只把最重要的事情存进长期记忆的硬盘呢?
2026-09-03 10:38
9月,昴星团伴月、月掩金星、中秋月、海王星冲日等天象将轮番登场。其中备受大家关注的中秋月,既不是“十五圆”,也不是“十六圆”,而是较罕见的“十七圆”。
2026-09-03 10:38
记者13日从国家管网集团获悉,国内首次成品油长输管道顺序输送甲醇现场试验在陕西省咸阳市顺利完成。这标志着我国成品油管道顺序输送甲醇技术实现从理论探索到工程验证的关键跨越,为跨区域绿色甲醇安全、高效输送提供了完整技术方案与实践示范。
2026-09-03 10:38
张国捷介绍,壁虎是研究性染色体演化得天独厚的类群。为此,研究团队选取了22种壁虎开展基因组学分析,其中20个物种的性别决定机制明确,包含3种环境依赖型、6种XY基因型、11种ZW基因型,另有两个外群物种作为对照。研究还发现,上述17个由基因型性别决定的壁虎物种拥有20条性染色体,这些染色体分别起源于17条不同的祖先染色体。
2026-09-03 10:28
开学第一天,浙江省温州市广场路小学“我的暑期科学发现”发布会现场,孩子们正轮流上场展示自己的暑期探究成果。
2026-09-02 12:09
恒星形成率降到约四成,作为重要“气罐”的中性氢却仍保有七成以上。宇宙为何“有气难成星”?
2026-09-02 12:06
9月1日,以“科技改变生活 创新赢得未来”为主题的2026年全国科普月活动全面启动。
2026-09-02 12:21
今年夏天,全国用电负荷持续高位运行,屡创新高。这份“负荷迎峰值、居民却无感”的反差并非偶然,而是得益于我国电力系统的稳定供应,彰显了我国新型能源体系建设的显著成效。
2026-09-02 12:20
作为装置“心脏”的超导磁体性能,往往决定了这些装置能在冲击极限的路上走多远。通上电流的瞬间,超导线圈要承受巨大电磁力的拉扯。此时,一根看上去不起眼的“金属带子”成了决定“心脏”承受力的关键。
2026-09-02 12:12
随着全球气候变化的加剧,干旱已成为威胁森林生态系统稳定与制约林木生长的主要环境因子。
2026-09-02 10:45
中共中央、国务院日前转发了《中央宣传部、司法部关于开展法治宣传教育的第九个五年规划(2026—2030年)》,标志着全民普法正式开启“九五”的新周期。
2026-09-01 09:42
开学季来临,从近红外光醒脑仪、α脑波音频智慧仪,到加入红光模块的哺光台灯、模拟户外远眺的雾视屏……各类宣称能“醒脑”“护眼”的产品在电商平台热卖。他进一步指出,儿童颅骨厚度、密度与成人差异显著,目前尚无任何一项权威神经科学研究支持健康儿童使用此类设备。
2026-09-01 09:36
加载更多