近日，天津大學材料學院教授封偉研發了一種具備自主行動能力和觸覺應變的4D打印軟體機器人，該機器人在一次打印成型后即具有熱致無約束滾動能力，無需任何其他后續加工程序。
該研究成果在《細胞》出版社旗下頂尖期刊《物質》發表。
傳統制造方法限制了軟體機器人“智能”
相比之下，3D打印（增材制造技術）可以基于數字模型自動準確地將設計思想轉化為復雜零件，從而顯著提高生產效率和制造靈活性。軟體機器人是一種新型柔韌機器人，他們能夠適應不同的非結構化環境，更好、更安全地與人類進行交互。同傳統機器人相比，它們靈活、適應性強，危險性更小。但是目前，軟體機器人主要采用手工裝配工藝制造。制造方法的局限性導致了生產困難，限制了材料選擇范圍，并且難以獲得復雜的驅動性能，特別是無限制的自主運動和感知能力。
“我們在3D打印的基礎上，為軟體機器人制造增加‘時間’維度——即4D打印，將智能材料加工成對熱刺激具有響應行為的動態結構材料。”封偉介紹，我們希望通過4D打印能獲得具有感知能力和適應性的智能軟體機器人，而不是僅僅只會變形的致動器。如果軟體機器人能具有更豐富的驅動現象，就可以模仿更多動物或人的行為，實現智能化，也就是人工智能。而目前的研究多數都是基于彎曲變形的致動器，這僅僅是初步的刺激響應性能。
4D打印直接獲得智能軟體機器人
通過4D打印直接獲得智能軟體機器人是一個巨大的挑戰。
封偉團隊通過4D打印對液晶彈性體智能材料進行精確加工，直接獲得了具有感知能力和適應性的智能軟體機器人。“液晶彈性體是一種交聯的聚合物網絡，可將各向異性的剛性介晶單元連接在聚合物網絡中，其特殊的結構將橡膠的彈性和液晶的各向異性有機結合起來，產生特殊的光學和物理特性。”封偉介紹，由于晶體內的原子定向排布導致液晶各個方向上所體現出來的性質都不一樣，這就是各向異性。
通過改造基于熔融沉積技術的3D打印機，團隊實現了液晶彈性體的精準墨水直寫打印技術。在此過程中，剛性介晶單元被直接寫入具有可控分子序列的三維結構中。由于介晶排列順序是通過打印路徑設置的，因此不同的排列順序可以實現不同的刺激響應性能。
封偉團隊通過全新的液晶彈性體熱驅動現象，得到了一種具備自主行動能力和觸覺應變的4D打印軟體機器人。該機器人在一次打印成型后即具有熱致無約束滾動能力，無需任何其他后續加工程序，制作簡單快速，重復性好。
“最讓我們驚喜的是這種機器人的自主性，以及在遇到障礙物時的智能仿生行為。機器人的滾動穩定有力，而速度和方向可通過改變形狀和尺寸進行調整。”封偉表示。
當放置于160℃的熱臺上時，4D打印的矩形軟體機器人變形為螺旋管狀，并在加熱板上自動開始滾動。調整大小可以改變機器人的滾動速度。而滾動的方向由螺旋管的曲率方向控制，可以輕松改變。這種管狀機器人的整個驅動過程是自動的，無需改變環境因素，完全能在脫離人工控制的情況下完成任務。由于軟體機器人顯示出一定的黏彈特性和相當大的滾動驅動力，所以即使以一定角度放置在傾斜的加熱板上時，依然可以向上滾動。
可裝載機器人自重40倍的貨物
相比于在日常環境中執行精確和重復性工作，機器人在極端環境中的工作更為不可替代。比在如酷熱、寒冷、輻射、深水、真空和其他條件下執行智能和受控任務，對所有類型的機器人來說都是極具挑戰性的。而與具有剛性系統的普通金屬機器人相比，軟體機器人在極端環境中的工作能力更為有限，特別是在極端高溫條件下。
目前的軟體機器人，特別是由單種材料組成的軟體機器人，走向人工智能的道路依舊漫長而艱難。
封偉團隊此次研制的4D打印軟體機器人，由于螺旋圓筒的曲率方向控制滾動方向的特性使得這種軟體機器人具有類似昆蟲觸角的觸覺感知能力，能夠探測前方道路上的障礙物，根據障礙物的高低實現翻越或折返，從行為學上體現了一定的智能性。比如當機器人穿越未知的固定長度路徑時，將能實現3種場景：在預定時間內穿越意味著滾動路徑中不存在障礙物；比預定時間穿越的慢意味著未知路徑稍微被阻塞；機器人返回起點意味著未知路徑被嚴重或完全阻塞。
此外貨物運輸也是無約束軟體機器人的一個重要應用。“雖然我們的機器人只能向前和向后移動，但它依然可以用于點對點貨物運輸。”封偉介紹：“管狀機器人的空心圓筒為線形物體提供了裝載空間。為了測試管狀機器人在非線形物體情況下的運輸能力，我們設計了一個類似于地牛的小型牽引裝置，整個裝置可以在加熱板上以恒定速度移動。這表明這種軟體機器人可以應用于在極端高溫環境中執行貨物運輸任務。”
通過增加樣品長度，軟體機器人可顯著提高運輸能力。如果樣品長度增加到米級時，管狀機器人的運輸能力可能會增加一個數量級，裝載貨物的最大容量可達機器人重量的40倍。
