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利用包含感覺、移動、結構元素的超材料

3D打印“元機器人”能一步構建

2022年06月17日08:25 | 來源:科技日報
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原標題:3D打印“元機器人”能一步構建

3D打印“元機器人”能夠進行推進、運動、傳感和決策。

圖片來源:鄭小雨研究團隊/UCLA

科技日報北京6月16日電 (記者張夢然)美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)的工程師團隊開發了一種可一步構建機器人的新設計策略和3D打印技術。這項研究進展發表在《科學》雜志上,展現了各種能夠行走、機動和跳躍的微型機器人的構造。

此次打印的超材料由包含感覺、移動和結構元素的內部網絡組成,可按照程序設置自行移動。由於移動和傳感的內部網絡已就位,唯一需要的外部組件就是為機器人供電的小電池。而新方法的關鍵是壓電超材料的設計和印刷,壓電超材料是一種復雜的晶格材料,可響應電場改變形狀和移動,或基於物理力而產生電荷。

該項研究的首席研究員、UCLA工程學院助理教授鄭小雨表示,新方法將有助於發展一類自主材料,其可取代目前制造機器人的復雜組裝過程。新方法將復雜的運動、多種傳感模式和可編程決策能力緊密集成在一起,類似於生物系統中的神經、骨骼和肌腱協同工作,以執行受控運動。

研究團隊展示了這種機器人與板載電池和控制器的集成,以實現3D打印機器人的完全自主操作,每個機器人都有指甲那麼大。這些“元機器人”有望帶來生物醫學機器人的新設計,如自轉向內窺鏡或體內“游泳機器人”﹔未來其還可探索危險環境,如在倒塌的建筑物中快速進入密閉空間,評估危險級別並尋找被困在瓦礫中的人。

研究人員稱,他們的驅動元件可在整個機器人中精確布置,以在各種類型的地形上進行快速、復雜和擴展的運動。他們還提出一種設計機器人材料的方法,以便用戶可制作自己的模型並將材料直接打印到機器人中。

研究人員演示了3個具有不同功能的“元機器人”:一個展示了繞過S形拐角和隨機放置障礙物的能力﹔另一個可在撞擊時逃跑﹔第3個可在崎嶇的地形上行走,甚至可小幅度跳躍。

【總編輯圈點】

將電能轉化為運動的活性材料,用在機器人身上並不是什麼新鮮事,但這些機器人通常運動范圍有限、行進距離不足,即使運動的話也不能脫離類似變速箱的傳動系統。而且大多數機器人,無論其大小如何,通常都是由一系列復雜的制造步驟構建的。正是這些步驟,集成了機器人的肢體、電子和有源組件﹔但也正是這些過程,導致了更重的重量、更大的體積和更少的力輸出。相比之下,UCLA開發的機器人材料由復雜的壓電和結構元件組成,這些元件的結構巧妙滿足了高速伸展、彎曲、扭曲、旋轉、膨脹或收縮的運動能力——而這麼靈活的機器人,每一個僅硬幣大小。

(責編:羅知之、陳鍵)

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