隨著人工智能技術的進步，智能機器人產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。實際上，“機器人”一詞最早出現(xiàn)在1921年卡雷爾·卡佩克(KarelCapek)創(chuàng)作的一部科幻劇中。
目前大多數(shù)機器人，無論其大小，通常都是通過一系列復雜的制造步驟構建的，這些步驟集成了肢體、電子和有源組件。與用提供不同功能的獨立部件來建造機器人相比，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構，旨在表現(xiàn)出理想的宏觀特性。
與大宗材料不同，超材料的行為受其工程結構的制約，而不是純粹由其材料構成驅(qū)動。增材制造技術，如3D打印，已經(jīng)加速了復雜的超材料的制造，其規(guī)模越來越小，功能也前所未有。傳統(tǒng)上，制造機器人依賴于組裝離散的執(zhí)行器、傳感器、微處理器和電源。機器人超材料通過在超材料的周期性結構中構思自主性來挑戰(zhàn)這種模式。
從歷史上看，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反射鏡能力的可調(diào)諧光學特性的超材料。然而，近年來，研究人員越來越多地轉(zhuǎn)向在其他領域采用這種設計原理。比如無需使用傳動齒輪即可將線性運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械超材料，或能夠按需調(diào)整剛度或變形等體積特性的鑲嵌機器人群。創(chuàng)造機器人超材料的另一條途徑是在結構中體現(xiàn)“機器人任務”。例如，人們可以設計一種超材料，其變形可以通過電信號進行控制。
鑒于此，《Science》期刊曾在線發(fā)表了加州大學洛杉磯分校的鄭小雨教授團隊的新成果。該團隊開發(fā)了一種新的設計策略和3D打印技術，可以一步構建機器人。第一作者為崔華晨。
具體而言，作者開發(fā)了一種合理設計壓電超材料的方法，該材料由無源、壓電有源和導電相組成，可以執(zhí)行一些機器人任務（Figure1）。所需的變形模式，例如扭曲，近似為一些通過結構的離散平面的運動。
反過來，這些平面的允許運動將告知結構相、致動器和電極應如何在壓電超材料內(nèi)組織以產(chǎn)生目標運動。在經(jīng)典的彈性理論中，彈性材料的變形以拉伸、壓縮和剪切為特征。本文作者應用了微極彈性，通過在平移之上結合旋轉(zhuǎn)來擴展經(jīng)典彈性。這種方法能夠更全面地評估壓電超材料的宏觀膨脹、剪切、扭曲和彎曲對其微結構、極化和施加的電場。
Figure1.示意圖
【實驗設計】
架構材料的核心概念是在3D單元拓撲中不受限制地放置材料，繞過天然晶體固有的限制或模仿它們以實現(xiàn)所需的特性。為此，作者引入了一種方便且強大的策略來構建3D空間中的壓電活性、導電和結構相（圖1A）。因為現(xiàn)有的壓電張量不足以描述所有的自由度，作者在Cosserat固體的基礎上定義了廣義壓電張量來描述架構壓電材料的應變轉(zhuǎn)換（圖1B）。微結構的具體結構（晶胞）如圖1C-1K所示。
圖1.具有任意應變模式的機器人超材料的合理設計
【機器人超材料的增材制造】
作者開發(fā)了一種電荷程序化多材料增材制造技術，能夠?qū)弘娀钚韵?、結構相和導電相組裝成復雜的3D微架構。首先，通過多材料3D打印系統(tǒng)（材料和方法）打印帶負電荷的樹脂和高負載的納米粒子膠體，如圖2A所示。然后將導電相選擇性地沉積在帶電樹脂上，形成帶有電極的3D微架構（圖2B）。
此外，氧化鉛用于提供液體密封和富鉛環(huán)境，以抑制PZT在高于800°C的溫度下的鉛蒸發(fā)（圖2D）。這種3D制造方法允許制造具有精確、微尺度3D結構和低孔隙率的壓電活性材料（圖2E-2H）?？傊髡呤褂镁哂锌臻g編程靜電荷的多材料立體光刻系統(tǒng)，并在選定區(qū)域制造了裝飾有導電金屬和壓電特性的3D陶瓷晶格。
【多自由度放大和程序化應變】
由增材制造的機器人超材料可以使用電場到機械應變的雙向轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生運動和傳感。逆壓電效應賦予機器人驅(qū)動能力，而直接和雙向壓電效應分別通過本體感受（自我監(jiān)測）和外感受（接觸檢測和遙感）實現(xiàn)反饋控制。超材料的拓撲結構允許將電極直接放置在壓電活性支柱上，從而產(chǎn)生更強的電場并放大驅(qū)動應變。
同時，作者巧妙地將驅(qū)動和感知交織在一個輕巧的微型復合3D格子中，該格子可以四處移動并感知周圍環(huán)境。然后，作者通過設計板載控制系統(tǒng)和電源，朝著不受束縛的實施邁出了一步。這種系統(tǒng)級集成雖然很少見，但可以充分挖掘現(xiàn)實世界場景中快速發(fā)展的機器人材料的全部潛力，并找出它們的缺點。
考慮到這里討論的移動壓電超材料，壓電活性元件的布線仍然是增強其多功能性的限制因素，而分配功率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，當移動性和不受約束的自主性不是必需的時，一塊壓電架構可以用作具有六個自由度的緊湊型3D打印機械手，即能夠沿所有三個軸平移并圍繞所有三個軸旋轉(zhuǎn)。
