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

  • 浙江杭州:乡村里火热的“春日经济”

  • 海南离岛免税政策实施15年 累计销售额2864亿元

独家策划

推荐阅读
外商投资安全审查工作机制办公室(国家发展改革委)依法依规对外资收购Manus项目作出禁止投资决定,要求当事人撤销该收购交易。
2026-04-27 16:54
当前,具身智能产业站在商业落地的临界点,一场从“炫技”到“干活”的务实转向正在悄然发生。
2026-04-27 15:39
以往以机械素质、品牌底蕴为核心卖点的外资车企,纷纷将智能化作为参展的核心主线。
2026-04-27 14:48
这里是淳安国家储备林示范基地,587亩山林经过精心打造,早已不是传统意义上的林场。480多亩杉木林完成阔叶化改造,浙江楠、浙江樟等珍贵树种错落生长;430亩“有路、有房、有水、有轨、有网、有电、有眼”的“七有”林业标准地里,黄精、白芨、三叶青等中药材长势旺盛,菌菇悄悄破土;30多亩梅花观光园内,880株梅花迎春绽放,成为游客青睐的打卡地。
2026-04-27 13:53
近年来,科普视频越来越多地成为公众获取科技知识的重要渠道。
2026-04-27 13:35
中国科协在中国科学家博物馆举行“全民阅读活动周·科学家精神故事会”暨科学家精神主题丛书发布活动。
2026-04-27 12:53
今年4月25日是第四十个“全国儿童预防接种日”,主题是“预防接种,苗助健康,全民行动”。
2026-04-27 10:05
从古人立竿测影、夜观北斗辨识方向,到北斗卫星导航系统提供全天候、高精度的时空信息服务——科技发展沧海桑田,但人类对“我在哪里、我要去哪、如何到达”的追问从未停歇,其指向始终是更好地认识世界、利用资源、服务发展。
2026-04-27 10:03
近年来,江苏张家港东沙化工园区实施关停转型,修复生态环境,升级为智能制造产业园区,长江岸边珍稀鸟类频现,走出了一条绿色转型路。
2026-04-27 10:02
记者王美莹日前从中国地震局地球物理研究所获悉,该所基于“谛听”大模型研发的“地震科学智能体”正式上线并开放试用。”  从“搬砖式”科研到“一句话”驱动,这位不知疲倦的“数字副驾驶”,正悄然推动地震科学范式的革新。
2026-04-27 09:59
为推进商业航天高质量发展,发挥标准化在产业发展中的引领性和基础性作用,统筹推进商业航天标准化建设,国家航天局、市场监管总局近日联合发布《商业航天标准体系(1.0版)》。
2026-04-27 09:59
我国现已建成省级以上绿色矿山5500余家,绿色矿山建设成为美丽中国建设的生动实践。
2026-04-24 09:53
由中国科学家领衔的国际团队23日宣布,他们成功在超级计算机中构建出一个数字虚拟宇宙,为人类探索宇宙奥秘提供了一份高精度数字导引图谱。
2026-04-24 09:51
从仰望星空到扎根大地,中国航天的故事,正从“飞天”传奇,变成天地互动的日常。
2026-04-24 09:50
近日,国务院新闻办公室举行“新征程上的奋斗者”中外记者见面会,来自科技领域的数位代表分享了自己的故事。
2026-04-24 09:48
近日,中共中央办公厅、国务院办公厅印发《碳达峰碳中和综合评价考核办法》,并发出通知,要求各地区各部门认真遵照执行。
2026-04-24 09:45
“日出而作、日落而息的传统农耕图景,正在被代码、传感器和无人机重新绘制。”春日里的华中农业大学襄阳书院,校长严建兵对着身旁年轻的面孔说,“对智慧农业而言,广袤的科研一线就是前沿阵地。
2026-04-23 09:41
铈镁嫦娥石是一种新的含稀土磷酸盐矿物,属于三方晶系。据了解,铈镁嫦娥石发现于第一块坠落在我国境内的月球陨石——Pakepake005陨石。目前,铈镁嫦娥石的原型标本和等型标本分别馆藏于中国地质博物馆和中国地质科学院。
2026-04-23 09:40
崇明东滩保护区位于上海市崇明岛的最东端,是东亚—澳大利西亚候鸟迁飞路线上重要的停歇地和越冬地。工作在崇明东滩这片充满生机和希望的土地上,钮栋梁表示倍感使命光荣,责任重大。
2026-04-23 09:39
近日,中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于更高水平更高质量做好节能降碳工作的意见》。答:“十四五”以来,各地区、各部门深入贯彻落实党中央、国务院决策部署,认真落实全面节约战略,扎实推进全社会节能降碳,取得显著成效,“十四五”全国能耗强度和碳排放强度降低目标均顺利完成。
2026-04-23 09:39
加载更多