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

  • 今天,他们获颁国家最高科学技术奖

  • 沿着埃德加·斯诺的足迹看当代中国

独家策划

推荐阅读
水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究:在一滴水中探寻物理之美 在王恩哥看来,物理学研究有一个很大的特点,就是它能把复杂的事情简单化,并且抓住其中最本质的问题——这就是物理学的魅力所在。
2026-07-09 09:51
而这一切的起点,要回到半个世纪前——在中国科学院物理研究所那间废弃的鸡舍里,陈立泉铺开了这张后来冠绝全球的“电动”蓝图。自1981年起,在中国科学院的持续支持下,实验室瞄准真正实用的锂电池,牵头组织并承担了一系列国家重大项目。
2026-07-09 09:51
谈及荣获国家最高科学技术奖,贲德谦虚地说:“这不是我个人的奖,而是所有‘雷达人’的荣誉。从原理探索到技术攻关再到雷达建造,10余载春秋,为了研制代号“7010”的远程相控阵雷达,贲德与团队闯过了一个又一个难关。
2026-07-09 09:50
发展数智经济,通过促进科技创新和产业创新深度融合培育新质生产力。为此,笔者建议,应从要素供给、产业融合、创新转化和制度保障四个方面发力,把数智经济的技术势能转化为新质生产力的发展动能。
2026-07-09 09:50
耄耋之年,她坐着轮椅来到采访室,一身深蓝素装,神情温和。她,就是“七一勋章”获得者、中国工程院院士、中南大学教授钟掘。1960年,钟掘毕业后来到岳麓山下的中南矿冶学院,一头扎进被人称作“傻大黑粗”的冶金机械行业。
2026-07-09 09:49
中国科协第十一次全国代表大会是在“十五五”开局之年召开的一次重要会议,是科协系统和广大科技工作者的一次盛会。实践充分证明,我国科技工作者始终胸怀祖国、服务人民、勇攀高峰、敢为人先,不愧为党和国家充分信赖的优秀队伍和建设科技强国的中坚力量。
2026-07-09 09:49
从安装智能芯片的比赛用球,到协助裁判的视频技术,再到支持百万球迷转运的中国列车……这支“中国队”被美国消费者新闻与商业频道誉为世界杯供应链“不可或缺的一环”。
2026-07-08 10:08
7月7日是小暑节气,恰逢年度“最小太阳”现身天宇。当日凌晨2时左右,地球过远日点,这是一年中地球距离太阳最远的位置,这天观测到的太阳视直径为全年最小。
2026-07-08 10:06
近日,西南石油大学新能源与材料学院光伏材料与技术科研团队传出好消息:其研发的小尺寸超高效叠层太阳能电池光电转换效率接近35%,大幅超越常规太阳能电池的光电转换效率。
2026-07-08 10:04
目前,大连海事大学已与72家行业单位建立联合培养,共建162个专业实践基地、4个工程技术中心,聘任600余名企业导师,真正实现“工程出题、校企共答、产业阅卷”。
2026-07-08 09:52
一生钢铁报国,一生慷慨无私。崔崑院士走了,但他留下的,是钢的筋骨,是火的温度,是一颗永远滚烫的赤子之心。
2026-07-08 09:45
在河北雄安人工智能产业园的一楼展厅里,一台工业机器人正利落地演示货物搬运,机械臂精准而有力;楼上,键盘敲击声此起彼伏,研发人员专注地写着代码。产业园一年前才“开业”,如今已成为人工智能公司发展的产业高地。这里诞生的国内首个处理结构化数据的通用大模型,适用于多个工业场景;这里诞生了便携式颅脑出血检测分析仪,让医学检查更加快捷便利……
2026-07-07 09:44
从“争第一”的局部超越,到“创唯一”的向上突围,再到“守专一”的产业韧性,这三重创新路径相互交织,共同勾勒出中国从“世界工厂”迈向“创新引擎”的壮阔图景
2026-07-07 09:42
近日,在内蒙古阿拉善盟额济纳旗东风镇古日乃嘎查的航天育种试验基地内,曾搭载实践十九号卫星的荒漠肉苁蓉“太空种子”,在地面选育试验中取得关键进展——首批试验植株成功开花。
2026-07-07 09:40
高校专业目录的更新,绝非简单的名称变动,而是立足国家需要、顺应产业发展、面向科技前沿之举。新农科教育已不再是单纯的“种地养猪”,而是要有系统思维和交叉学科背景,特别是打破农学、工学、理学等传统学科壁垒。
2026-07-07 09:39
夏日时节,我们有时会看到湖泊或水库的水面被一层厚厚的绿色“油漆”覆盖,水体浑浊还伴有一股怪味。“这种差异解释了为什么蓝藻水华会出现种群层面的快速崩溃,‘死亡信号’一旦扩散,就会迅速引发整片区域的蓝藻种群崩溃,也解释了为什么蓝藻水华会‘突然消失’。
2026-07-07 09:36
天问二号探测器历经约400天、行程约10亿千米的“追星”之旅,于近日与小行星2016HO3成功交会,到达距离小行星20千米处,开始科学探测。
2026-07-06 10:03
发射节奏加快、组网进程提速……近段时间以来,商业航天领域捷报频传,产业发展动能持续增强。
2026-07-06 09:54
航运活跃,满载着中国经济的蓬勃生机,也给水上交通安全带来更大挑战。今年以来,我国海事部门接连推出新举措,通航管理越来越精细高效。
2026-07-06 09:53
6月25日,科技部党组书记、部长阴和俊作了“建设科技强国支撑高质量发展”专题报告,现以问答形式摘要刊发。
2026-07-06 09:50
加载更多