隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步，智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。事實(shí)上，“機(jī)器人”這個(gè)詞最早出現(xiàn)在1921年KarelCapek寫(xiě)的一部科幻劇里。
目前，大多數(shù)機(jī)器人，無(wú)論大小，通常都是通過(guò)一系列復(fù)雜的制造步驟來(lái)制造的，這些步驟集成了肢體、電子設(shè)備和有源組件。與使用獨(dú)立部件提供不同功能的建筑機(jī)器人相比，使用多功能超材料建造的機(jī)器人具有一定的優(yōu)勢(shì)。超材料是一種由重復(fù)圖案組成的合成結(jié)構(gòu)，旨在展現(xiàn)理想的宏觀特性。
與塊體材料不同，超材料的行為受其工程結(jié)構(gòu)的限制，而不是受其材料成分的驅(qū)動(dòng)。3D打印等增材制造技術(shù)加速了復(fù)雜超材料的制造，尺寸越來(lái)越小，功能前所未有。傳統(tǒng)上，制造機(jī)器人依賴于組裝分立的致動(dòng)器、傳感器、微處理器和電源。機(jī)器人超材料通過(guò)設(shè)想超材料周期結(jié)構(gòu)中的自主性來(lái)挑戰(zhàn)這一模型。
歷史上，對(duì)超材料的研究主要集中在光學(xué)應(yīng)用上，例如具有超出普通透鏡和鏡子能力的可調(diào)光學(xué)特性的超材料。然而，近年來(lái)，研究人員越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向在其他領(lǐng)域采用這一設(shè)計(jì)原則。例如，可以在不使用傳動(dòng)齒輪的情況下將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械超材料，或者可以根據(jù)需要調(diào)整剛度或變形等體積特性的嵌入式機(jī)器人群體。創(chuàng)建機(jī)器人超材料的另一種方法是在結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)“機(jī)器人任務(wù)”。例如，人們可以設(shè)計(jì)一種超材料，其變形可以由電信號(hào)控制。
鑒于此，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了加州大學(xué)洛杉磯分校鄭曉宇教授的新成果。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的設(shè)計(jì)策略和3D打印技術(shù)，可以一步到位地制造機(jī)器人。第一作者是崔華辰。
具體來(lái)說(shuō)，作者開(kāi)發(fā)了一種合理的壓電超材料設(shè)計(jì)方法，它由被動(dòng)相、壓電主動(dòng)相和導(dǎo)電相組成，可以執(zhí)行一些機(jī)器人任務(wù)(圖1)。所需的變形模式，如扭曲，大致是通過(guò)結(jié)構(gòu)的離散平面的一些運(yùn)動(dòng)。
反過(guò)來(lái)，這些平面的允許運(yùn)動(dòng)將告訴結(jié)構(gòu)相、致動(dòng)器和電極如何在壓電超材料中組織以產(chǎn)生目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。在經(jīng)典彈性理論中，彈性材料的變形表現(xiàn)為拉伸、壓縮和剪切。在本文中，作者應(yīng)用微極彈性，將旋轉(zhuǎn)與平移結(jié)合起來(lái)，對(duì)經(jīng)典彈性進(jìn)行拓展。該方法可以更全面地評(píng)估壓電超材料因宏觀膨脹、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲引起的微觀結(jié)構(gòu)、極化和外加電場(chǎng)。
圖1。示意圖
[實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)]
[機(jī)器人超材料的添加制造]
[多自由度放大和程序應(yīng)變]
由添加劑制成的機(jī)器人超材料可以利用電場(chǎng)到機(jī)械應(yīng)變的雙向轉(zhuǎn)換來(lái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和感知。逆壓電效應(yīng)賦予機(jī)器人驅(qū)動(dòng)能力，正壓電效應(yīng)和雙向壓電效應(yīng)分別通過(guò)本體感受(自我監(jiān)測(cè))和外部感知(接觸檢測(cè)和遙感)實(shí)現(xiàn)反饋控制。超材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許電極直接放置在壓電有源柱上，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的電場(chǎng)，放大驅(qū)動(dòng)應(yīng)變。
同時(shí)，作者巧妙地將驅(qū)動(dòng)和感知交織成一個(gè)輕量級(jí)的微型復(fù)合3D網(wǎng)格，可以四處移動(dòng)，感知周?chē)h(huán)境。然后，通過(guò)設(shè)計(jì)車(chē)載控制系統(tǒng)和電源，作者向無(wú)拘無(wú)束的實(shí)施邁出了一步。雖然這種系統(tǒng)級(jí)的集成并不多見(jiàn)，但卻能充分挖掘現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中快速發(fā)展的機(jī)器人材料的全部潛力，找出它們的不足。
考慮到這里討論的移動(dòng)壓電超材料，壓電有源元件的布線仍然是增強(qiáng)其通用性的限制因素，而功率分配和分散控制仍然是需要克服的障礙。盡管存在這些限制，但作者證明了當(dāng)移動(dòng)性和不受約束的自主性不是必需的時(shí)，壓電結(jié)構(gòu)可以用作具有六個(gè)自由度的緊湊型3D打印操縱器，即，它可以沿所有三個(gè)軸平移，并繞所有三個(gè)軸旋轉(zhuǎn)。