寧夏大學(xué)&浙江大學(xué)：3D打印類昆蟲(chóng)微型快速爬行機(jī)器人

來(lái)源：EngineeringForLife  

小小的昆蟲(chóng)，身體小而輕，具有在小空間內(nèi)敏捷快速移動(dòng)的能力，類似昆蟲(chóng)的軟體機(jī)器人可以在探索、救援等許多場(chǎng)景中進(jìn)行應(yīng)用。然而，設(shè)計(jì)和批量制造昆蟲(chóng)大小、快速移動(dòng)、良好的魯棒性和碰撞感知能力的類昆蟲(chóng)機(jī)器人仍然有巨大的挑戰(zhàn)。

近期，寧夏大學(xué)冒杰與浙江大學(xué)羅英武及賀永團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)了一種3D打印的可高頻響應(yīng)人造肌肉，并利用該人造肌肉，設(shè)計(jì)和制造了一種昆蟲(chóng)大小的軟體機(jī)器人。整個(gè)機(jī)器人僅15mm，比硬幣小，重量?jī)H450毫克，能夠超快移動(dòng)(4個(gè)體長(zhǎng)每秒，已報(bào)道介電彈性體驅(qū)動(dòng)機(jī)器人中爬行最快)。該機(jī)器人可以在各種場(chǎng)地和復(fù)雜的路徑上奔跑，在小管道內(nèi)攀爬，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人群體同時(shí)工作，并可以承受和感知反復(fù)的沖擊，展示出較高的魯棒性、良好的環(huán)境適應(yīng)性和沖擊感知能力。相關(guān)研究結(jié)果以“3D-Printed High-Frequency Dielectric Elastomer Actuator toward Insect-Scale Ultrafast Soft Robot”為題，發(fā)表于《ACS Materials Letters》雜志上，第一作者為朱元波碩士，共同通訊作者為寧夏大學(xué)化工學(xué)院的冒杰副教授、浙江大學(xué)化工學(xué)院的羅英武教授及機(jī)械學(xué)院的賀永教授。

圖1 3D打印微型快速爬行機(jī)器人

1. 快速運(yùn)動(dòng)的秘密——高頻響應(yīng)介電彈性體驅(qū)動(dòng)器
該機(jī)器人可以快速運(yùn)動(dòng)的秘密來(lái)源于其獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)肌肉——介電彈性體驅(qū)動(dòng)器。介電彈性體驅(qū)動(dòng)器是一類電活性人工肌肉，可在電場(chǎng)下發(fā)生快速變形。然而，自動(dòng)化、連續(xù)化、快速化、定制化構(gòu)建微型介電彈性體驅(qū)動(dòng)器一直是制約介電彈性體領(lǐng)域發(fā)展的難題。為解決這一難題，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了多材料墨水直寫(xiě)同軸3D打印工藝進(jìn)行線圈型介電彈性體驅(qū)動(dòng)器的高效地制造。所制備的驅(qū)動(dòng)器能在750hz的高頻下快速可逆變形，并具備超長(zhǎng)的使用壽命(驅(qū)動(dòng)超過(guò)100萬(wàn)次循環(huán)而不出現(xiàn)性能下降)。這一優(yōu)異性能的驅(qū)動(dòng)器的制造為機(jī)器人的快速運(yùn)動(dòng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2 線圈狀介電彈性體驅(qū)動(dòng)器性能

2. 類昆蟲(chóng)軟體機(jī)器人性能
該機(jī)器人體型大小與昆蟲(chóng)相似，可實(shí)現(xiàn)>50mm/s（4倍身長(zhǎng)/秒）的運(yùn)動(dòng)速度，是目前已知的介電彈性體驅(qū)動(dòng)的爬行機(jī)器人中體型最小，速度最快的機(jī)器人之一。

圖3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能

該機(jī)器人可在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下受到外部擠壓而不損毀，并可快速恢復(fù)前進(jìn)功能。在受到擠壓時(shí)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器還可通過(guò)電流變化展示出其自感知能力。

圖4 機(jī)器人的魯棒性和自感知能力

該項(xiàng)目的研究為超快昆蟲(chóng)級(jí)介電彈性體機(jī)器人的制造提供了一種可行方案，對(duì)電活性材料的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用具有很好的借鑒和指導(dǎo)意義。

文章來(lái)源：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsmaterialslett.2c00991