顶刊Science:具有自我感知力的机器人超材料设计与3D打印-金属3D打印工厂

顶刊Science:具有自我感知力的机器人超材料设计与3D打印-金属3D打印工厂插图

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       增材制造技术的进步,使得具有设计的三维结构的刺激响应材料的创造成为可能。与生物系统不同,生物系统的传感、驱动和控制功能紧密结合在一起,很少有人工材料具有类似的系统复杂性。在此,来自美国加州大学洛杉矶分校的研究人员,报告了一种设计和制造路线以创建一类机器人超材料,能够进行多自由度运动,在电场的响应下在指定方向上放大应变(反之亦然),从而实现具有自感知和反馈控制的程序化运动。相关论文发表在Science上。

顶刊Science:具有自我感知力的机器人超材料设计与3D打印

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0090

顶刊Science:具有自我感知力的机器人超材料设计与3D打印

 将多种材料结合于一个复杂3D架构中

       增材制造技术的进步,使材料具有超高的刚度和损伤容限、奇异的力学行为、负热膨胀系数、流体控制和波传播。这些材料,可以通过将结构元素以比特和原子的形式放置在三维(3D)布局中进行数字化设计。构建电子和多功能材料及其组合的潜力,仍然难以捉摸,因为大多数增材制造技术都集中在单一结构材料上,如聚合物、金属和陶瓷。构建功能材料,可以在功能空间中提供特殊的和可配置的特性,如定向传感、变形和可重构性。

       压电材料,能够将电场转化为机械应变,反之亦然,是机器人系统中提供传感和驱动功能的理想选择。这些材料广泛应用于精密驱动器、机械手、加速度计和触觉传感器,以产生机器人的运动和感知反馈。然而,由于离子在晶体尺寸上的不对称位移,它们的电场感生应变来源于并受到自然存在的晶体结构的限制,导致其仅在法向和剪切方向上的应变范围均为<0.5%[即锆钛酸铅(PZT)陶瓷和单晶铌酸铅镁钛酸铅(PMN-PT)的应变范围分别为<0.1和<0.5%]。要在机器人系统中使用压电材料作为传感器,制造过程必须涉及大量的加工和组装步骤,如陶瓷加工、层压、连接平面电极以激活和驱动,以及与传输机构集成以放大压电应变并将应变转化为所需方向的运动。这些制造路线,通常只加工固体压电材料,不能精确地设计电极,这使得难以减轻驱动元件的重量并在小范围内,激活双向压电效应。

        在这里,研究者表明,通过一个由相互连接的压电、导电和结构相组成的三维网络,可以实现从电场向指定方向任意机械应变的双向转换(反之亦然)(图1A)。通过分析、数值和实验验证,研究者表明,这些三维微架构压电材料呈现出标准材料无法实现的压电应变常数,并导致大量电场诱导的应变转换――包括张力、剪切、扭转和柔性自由度(DoFs)及其组合――以及应变的放大和逻辑相关的减法和加法。研究者开发了一种电荷编程的多材料增材制造技术,能够直接将导电、压电和结构材料组装成复杂的3D微结构,从而获得了一类机器人超材料。

研究者使用术语“机器人超材料”来表示具有设计的3D微结构的材料,这些材料可以直接作为微型机器人执行许多机器人任务,包括运动、转向、步进、双向声音和超声波转导,以及通过反馈控制做出决策。

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图1 具有任意应变模态的机器人超材料的合理设计。

          论文报道的多材料增材制造技术将压电陶瓷、金属材料和结构材料结合到一个复杂的3D架构中。所得到的超材料块具有毫秒到厘米的尺寸,能够输出具有高阻挡力的多自由度运动,以及感知接触和远程刺激。这是在没有任何外部传感器和传输完成。与其他驱动材料(如介电弹性体)相比,机器人超材料具有驱动电压低、频率范围宽、双向传感、驱动等特点。这里报告的设计框架和制造方法,对未来微型机器人、传感器和机器人材料的发展,有直接的影响;通过简化的人工材料,将有可能实现理想的运动和决策。

(责任编辑:admin)

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