基于磁控智能材料軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造

導(dǎo)讀：軟體機(jī)器人具有自由度高、連續(xù)變形能力強(qiáng)和環(huán)境適應(yīng)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，是近年來機(jī)器人領(lǐng)域研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。4D 打印最早由麻省理工大學(xué)提出，是指利用智能材料的響應(yīng)特性結(jié)合編程化設(shè)計(jì)，制造出形態(tài)和性能隨時(shí)間可變的三維物體。4D打印與軟體機(jī)器人的結(jié)合，突破了機(jī)器人就是馬達(dá)齒輪加上控制的傳統(tǒng)概念，目前哈佛大學(xué)、MIT、德國馬普所、NASA等國際頂級科研單位均有所布局。3月3日19時(shí)30分，仿真秀機(jī)器人工業(yè)品仿真第八期講座《基于磁控智能材料軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造》將邀請筆者分享軟體機(jī)器人前沿技術(shù)，詳情見后文。

一、智能材料與4D打印

智能材料（Intelligent material）指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。典型的智能材料如圖1所示。智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是 21 世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ那罢靶匝芯款I(lǐng)域之一，也是當(dāng)今世界軍事領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 典型智能材料

4D打印技術(shù)是指由3D技術(shù)打印出來的結(jié)構(gòu)能夠在外界激勵(lì)下發(fā)生形狀或者結(jié)構(gòu)的改變，直接將材料與結(jié)構(gòu)的變形設(shè)計(jì)內(nèi)置到物料當(dāng)中，簡化了從設(shè)計(jì)理念到實(shí)物的造物過程，讓物體能自動(dòng)組裝構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和裝配的一體化融合。將4D打印技術(shù)應(yīng)用于軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造中，可以突破現(xiàn)有軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)材料和支撐材料難以結(jié)合設(shè)計(jì)的技術(shù)瓶頸，使其結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化。

2013年2月26日，在美國加利福尼亞州長灘市舉行的TED2013大會上，來自麻省理工學(xué)院的Skylar Tibbits將兩種具有不同孔隙率和吸水性的材料組合用于 3D 打印機(jī)，制造出了一種線狀物體。將該物體放入水中，物體改變了自身形狀，組成了麻省理工學(xué)院的字母縮寫 “MIT”，就此提出了 4D 打印的概念。

4D打印結(jié)構(gòu)的形狀、屬性或功能在外部環(huán)境刺激（如水、光、熱、電流、磁場、酸堿環(huán)境等）下會隨著時(shí)間的推移而改變，如圖6所示。與3D打印結(jié)構(gòu)相比，4D打印結(jié)構(gòu)因?yàn)橹悄懿牧系氖褂枚哂辛俗越M裝、自適應(yīng)、自我修復(fù)的特性。Wang等將遺傳易處理的微生物沉積物在濕度惰性材料上形成非均勻多層結(jié)構(gòu)，制成生物雜化膜，該雜化膜可以在幾秒鐘內(nèi)根據(jù)環(huán)境濕度梯度可逆地改變形狀。用其制成跑步服的皮瓣，皮瓣可以根據(jù)濕度梯度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)通風(fēng)散熱。

4D打印最關(guān)鍵是將智能材料的響應(yīng)特性與打印工藝有機(jī)結(jié)合，受自然界中卷須、葉子、花苞等通過內(nèi)部膨脹來響應(yīng)環(huán)境刺激的啟發(fā)；哈佛大學(xué)Sydney等基于采用纖維素與水凝膠的復(fù)合油墨打印了智能結(jié)構(gòu)，在打印時(shí)，通過控制復(fù)合油墨中纖維素的排列，以對水凝膠網(wǎng)絡(luò)編碼溶脹行為。因此，當(dāng)成型后的智能結(jié)構(gòu)浸入水中后，部分結(jié)構(gòu)受硬質(zhì)纖維的約束而無法溶脹，整體結(jié)構(gòu)發(fā)生局部溶脹，從而形成預(yù)設(shè)的零件模型。美國麻省理工大學(xué)Kim 等基于直寫式打印技術(shù)，采用磁性材料與硅膠的復(fù)合油墨打印了可實(shí)現(xiàn)快速變形的磁流變彈性體。在前驅(qū)液處于液態(tài)下混入磁粉（釹鐵硼），打印時(shí)在噴頭周圍施加定向磁場，以在材料固化前編碼磁疇方向。制備完成后的磁流變彈性體可以在外界磁場激勵(lì)下發(fā)生預(yù)設(shè)的變形，如圖2所示。

圖2 麻省理工大學(xué)采用4D打印方法制作的可變性磁流變彈性體

二、軟體機(jī)器人與制造技術(shù)

軟體機(jī)器人是一種新型柔軟機(jī)器人，能夠適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，與人類的交互也更安全，軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要取決于所使用的智能材料；一般有介電彈性體（DE）、離子聚合物金屬復(fù)合材料（IPMC）、形狀記憶合金（SMA）、形狀記憶聚合物（SMP）、響應(yīng)水凝膠等，從響應(yīng)的物理量暫時(shí)分為如下幾類：電場、壓力、磁場、化學(xué)反應(yīng)、光、溫度?？茖W(xué)家依此設(shè)計(jì)了各種各樣的軟體機(jī)器人，大多數(shù)軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)是模仿自然界各種生物，如蚯蚓、章魚、水母等。科學(xué)家曾預(yù)言，新型智能材料的研制及其在在軟體機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致科學(xué)發(fā)展的重大革命。

軟體機(jī)器人制造技術(shù)包括形狀沉積制造、硅膠澆注、3D 打印和混合加工等工藝。形狀沉積制造是一種多層沉積工藝，通過重復(fù)沉積-去除的步驟，制得所需的軟體機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)。此外，還可在沉積過程中嵌入傳感器、驅(qū)動(dòng)源和電路等功能部件，實(shí)現(xiàn)本體-傳感-驅(qū)動(dòng)一體化制造。然而，形狀沉積制造一般只能采用手工操作且步驟繁瑣，限制了軟體機(jī)器人的制造質(zhì)量和效率。硅膠澆注是通過拆分模型并設(shè)計(jì)模具，利用石蠟或凡士林涂層以防止粘連，將彈性體混合溶液（例如硅橡膠和固化劑）倒入模具固化成型，最后將各部分構(gòu)件粘結(jié)成具有特定結(jié)構(gòu)的軟體機(jī)器人本體。然而，硅膠澆注方式粘結(jié)面易破裂且難以適用于多材料制造等缺點(diǎn)限制了軟體機(jī)器人的服役生命周期、操作安全性及多功能性。

2016年，美國哈佛大學(xué)以超彈性硅膠材料作為本體材料，結(jié)合最新3D 打印技術(shù)，打印出了第一個(gè)純軟體仿章魚機(jī)器人，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，如圖3所示。3D打印制造技術(shù)避免了人工誤差、簡化了制造步驟，實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器人低成本的個(gè)性化制造。隨著智能材料打印工藝與計(jì)算機(jī)仿真編程技術(shù)的不斷發(fā)展，基于智能材料響應(yīng)特性的4D打印制造軟體機(jī)器人成為可能。然而由于材料4D打印工藝復(fù)雜，且打印后的材料響應(yīng)特性無法重新進(jìn)行編程，亟待基于材料流變特性將4D打印與軟體機(jī)器人技術(shù)相整合，提出結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)新方法。

圖3 哈佛大學(xué)采用3D打印技術(shù)制作的第一個(gè)純軟體機(jī)器人

三、基于磁控智能材料軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造

為了幫助大家更好學(xué)習(xí)軟體機(jī)器人的前沿技術(shù)，并拓展創(chuàng)新思維，3月3日，仿真秀機(jī)器人工業(yè)品仿真第八期講座《基于磁控智能材料軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造》將邀請仿真秀專欄作者、清華大學(xué)博士后李振坤老師分享，他長期從事磁性軟材料流變特性及測量的基礎(chǔ)理論、軟材料 3D 打印及 4D 打印、磁控軟體機(jī)器人開發(fā)研究。

審核編輯 ：李倩