通過4D打印一次性成形的自滾動(dòng)軟機(jī)器人

供稿人： 高琳 謝璇璇 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

4D打印比3D打印多“時(shí)間”維度，其制品具有各種刺激響應(yīng)行為。最近，天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊(duì)克服了4D打印直接獲得智能軟機(jī)器人的科技難題，開發(fā)出無約束自滾動(dòng)軟機(jī)器人，這一機(jī)器人通過HOT-DIW（高工作溫度的墨水直寫）技術(shù)打印液晶彈性體，無需任何前、后處理程序，具有自發(fā)滾動(dòng)、機(jī)器觸覺和環(huán)境適應(yīng)性等能力。

自發(fā)滾動(dòng)機(jī)器人是雙層矩形結(jié)構(gòu)，兩層打印方向之間有 90°的差異，如圖1（a）所示，在2Mpa擠出壓力及10mm/s打印速度下，打印墨水一經(jīng)擠出即被UV光固化，且其中的液晶彈性體在擠出過程的剪切應(yīng)力作用下自動(dòng)完成定向排列，為熱源刺激下各向異性變形提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。 打印完成的雙層矩形結(jié)構(gòu)加熱到160°C以上時(shí)發(fā)生卷曲，形成管狀機(jī)器人。接觸加熱板使機(jī)器人整體具有溫度梯度，各部分變形量不匹配，出現(xiàn)無約束自滾動(dòng)行為。管狀機(jī)器人的曲率中心方向與滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向相反，10厘米長(zhǎng)的機(jī)器人可以在水平平面上達(dá)到超過48cm/min的最大速度，并爬上約20°的斜坡（圖1（b））。 機(jī)器人的觸覺感應(yīng)能力與昆蟲的天線相似，在碰到不可逾越障礙物時(shí)，機(jī)器人的曲率方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變方向。此外，機(jī)器人可以攜帶40倍于自身重量的負(fù)載，展現(xiàn)了運(yùn)輸行業(yè)潛在適用性。


(a) HOT-DIW示意圖 (b)一次性成形與運(yùn)動(dòng)能力示意圖 圖1 4D打印自滾動(dòng)機(jī)器人制造過程與運(yùn)動(dòng)能力
參考文獻(xiàn)：
Fei Z, Yiyu F, Zeyu L, Yuxin X, Jing G, Hui W, et al. 4D-Printed Untethered Self-Propelling Soft Robot with Tactile Perception: Rolling, Racing, and Exploring. Matter. 2021.