本體感受性三維結構機器人超材料的設計與打印

供稿人：戚書豪 連芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

現(xiàn)如今，機器人技術已成為機械工程、計算機和自動控制等多個領域研究的熱門方向，而傳統(tǒng)的電力驅(qū)動、熱力驅(qū)動和液壓控制等技術在很多應用場景下具有不可避免的局限性，因此目前研究人員們致力于開發(fā)新的驅(qū)動和控制方式，壓電驅(qū)動器就是在機器人系統(tǒng)中驅(qū)動運動的一種新途徑，它通過電場或電荷等電信號和應變的運動信號相互轉(zhuǎn)換的方式實現(xiàn)驅(qū)動，在狹小空間探測等領域具有明顯的優(yōu)勢。

目前壓電驅(qū)動器由于自然環(huán)境下晶體結構的限制，導致在各個方向上電場響應的應變不同，難以實現(xiàn)多自由度的變形和運動，從而在應用上增加了難度；增材制造技術的進步使設計三維結構的刺激響應材料成為可能，與諸如傳感、驅(qū)動和控制等功能緊密集成的生物系統(tǒng)不同，通過增材制造實現(xiàn)的結構材料具有前所未有的系統(tǒng)復雜性。美國加利福尼亞大學 Zheng Xiaoyu團隊[1]通過增材制造技術設計了一系列制造路線，以創(chuàng)建一類能夠以多個自由度運動，在規(guī)定方向的應變放大，從而實現(xiàn)具有自我感知和反饋控制的編程運動。

實驗原理設計
結構材料的核心概念是將材料不受限制地放置在三維細胞拓撲中，繞過天然晶體固有的限制。研究者引入了一種策略來在三維空間中構建壓電、導電和結構相（如圖1所示）。這種多材料構成的超材料能夠接收輸入電場并輸出所需的任何應變模式，包括正應變、剪切應變、扭轉(zhuǎn)和彎曲模式以及它們的組合和放大。通過特征平面的旋轉(zhuǎn)來表征壓電材料在電場下的扭曲狀態(tài)，單元內(nèi)壓電支柱的局部應變，無論是膨脹還是收縮，都由支柱的方向、極化和電場決定。之后將壓電支柱放置在空間布局中，將局部的應變與全局運動相對應。

圖1 超材料的應變模式設計

機器人超材料的增材制造
作者團隊通過多材料的增材制造技術將壓電相、結構相和導電相組裝成復雜的三維微結構：首先將帶負電荷的樹脂和高負載的納米粒子膠體選擇性地沉積到平臺上（圖2A），然后將導電相選擇性地沉積到樹脂上，形成帶有立體微結構的電極（圖2B），然后，在高溫下通過強電場通過沉積的金屬使結構的壓電陶瓷極化（圖2E），極化后，未被電極覆蓋的區(qū)域保持未極化的狀態(tài)，并被用作結構相。而其他陶瓷如碳化硅也可以作為結構相，以提高超材料的剛度。這種制造方式實現(xiàn)了精確、低孔隙率和微尺度結構的裝飾有導電金屬并具有壓電特性的3D陶瓷晶格。

圖2 機器人超材料的制造

可程序控制的應變和可感知的微型機器人
通過嵌入電極的微結構，作者團隊演示了通過局部電極和微結構設計實現(xiàn)的應變放大、應變復合和應變加減，如圖3所示；機器人可通過逆壓電效應實現(xiàn)運動，通過壓電效應實現(xiàn)自身感受并通過外部監(jiān)測信號實現(xiàn)反饋控制。

圖3 多自由度的應變放大和可編程的應變特性

基于開發(fā)的壓電驅(qū)動器特性，作者將壓電驅(qū)動器模塊組裝成運動結構（圖4），該結構可以實現(xiàn)自主的移動，感知周圍環(huán)境變化并作出適當反應，該結構表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)壓電材料的壓電特性。在集成了超聲波模塊之后，微型機器人能夠自主地檢測障礙并且實施避障操作，從而實現(xiàn)自主決策。這項研究通過創(chuàng)新的智能結構設計，有望在智能傳感、自主探測和機器人智能控制等方面有所突破。

圖4刺激響應的多模態(tài)移動微型機器人

參考文獻：
H. Cui, D. Yao, R. Hensleigh, H. Lu, A. Calderon, Z. Xu, S. Davaria, Z. Wang, P. Mercier, P. Tarazaga, X. Zheng, Design and printing of proprioceptive three-dimensional architected robotic metamaterials, Science 376(6599) (2022) 1287-1293.