隨著人工智能技術(shù)的進步，智能機器人產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。事實上，“機器人”這個詞最早出現(xiàn)在1921年KarelCapek寫的一部科幻劇里。
目前，大多數(shù)機器人，無論大小，通常都是通過一系列復雜的制造步驟來制造的，這些步驟集成了肢體、電子設備和有源組件。與使用獨立部件提供不同功能的建筑機器人相比，使用多功能超材料建造的機器人具有一定的優(yōu)勢。超材料是一種由重復圖案組成的合成結(jié)構(gòu)，旨在展現(xiàn)理想的宏觀特性。
與塊體材料不同，超材料的行為受其工程結(jié)構(gòu)的限制，而不是受其材料成分的驅(qū)動。3D打印等增材制造技術(shù)加速了復雜超材料的制造，尺寸越來越小，功能前所未有。傳統(tǒng)上，制造機器人依賴于組裝分立的致動器、傳感器、微處理器和電源。機器人超材料通過設想超材料周期結(jié)構(gòu)中的自主性來挑戰(zhàn)這一模型。
歷史上，對超材料的研究主要集中在光學應用上，例如具有超出普通透鏡和鏡子能力的可調(diào)光學特性的超材料。然而，近年來，研究人員越來越多地轉(zhuǎn)向在其他領(lǐng)域采用這一設計原則。例如，可以在不使用傳動齒輪的情況下將直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械超材料，或者可以根據(jù)需要調(diào)整剛度或變形等體積特性的嵌入式機器人群體。創(chuàng)建機器人超材料的另一種方法是在結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)“機器人任務”。例如，人們可以設計一種超材料，其變形可以由電信號控制。
鑒于此，《科學》雜志在線發(fā)表了加州大學洛杉磯分校鄭曉宇教授的新成果。該團隊開發(fā)了一種新的設計策略和3D打印技術(shù)，可以一步到位地制造機器人。第一作者是崔華辰。
具體來說，作者開發(fā)了一種合理的壓電超材料設計方法，它由被動相、壓電主動相和導電相組成，可以執(zhí)行一些機器人任務(圖1)。所需的變形模式，如扭曲，大致是通過結(jié)構(gòu)的離散平面的一些運動。
反過來，這些平面的允許運動將告訴結(jié)構(gòu)相、致動器和電極如何在壓電超材料中組織以產(chǎn)生目標運動。在經(jīng)典彈性理論中，彈性材料的變形表現(xiàn)為拉伸、壓縮和剪切。在本文中，作者應用微極彈性，將旋轉(zhuǎn)與平移結(jié)合起來，對經(jīng)典彈性進行拓展。該方法可以更全面地評估壓電超材料因宏觀膨脹、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲引起的微觀結(jié)構(gòu)、極化和外加電場。
圖1。示意圖
[實驗設計]
[機器人超材料的添加制造]
[多自由度放大和程序應變]
由添加劑制成的機器人超材料可以利用電場到機械應變的雙向轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生運動和感知。逆壓電效應賦予機器人驅(qū)動能力，正壓電效應和雙向壓電效應分別通過本體感受(自我監(jiān)測)和外部感知(接觸檢測和遙感)實現(xiàn)反饋控制。超材料的拓撲結(jié)構(gòu)允許電極直接放置在壓電有源柱上，從而產(chǎn)生更強的電場，放大驅(qū)動應變。
同時，作者巧妙地將驅(qū)動和感知交織成一個輕量級的微型復合3D網(wǎng)格，可以四處移動，感知周圍環(huán)境。然后，通過設計車載控制系統(tǒng)和電源，作者向無拘無束的實施邁出了一步。雖然這種系統(tǒng)級的集成并不多見，但卻能充分挖掘現(xiàn)實場景中快速發(fā)展的機器人材料的全部潛力，找出它們的不足。
考慮到這里討論的移動壓電超材料，壓電有源元件的布線仍然是增強其通用性的限制因素，而功率分配和分散控制仍然是需要克服的障礙。盡管存在這些限制，但作者證明了當移動性和不受約束的自主性不是必需的時，壓電結(jié)構(gòu)可以用作具有六個自由度的緊湊型3D打印操縱器，即，它可以沿所有三個軸平移，并繞所有三個軸旋轉(zhuǎn)。