《Science》：3D打印机器人超材料，可以感知环境、自主导航！

　　随着人工智能技术的进步，智能机器人产业如雨后春笋般蓬勃发展。事实上，“机器人”这个词最早出现在1921年KarelCapek写的一部科幻剧里。

　　目前，大多数机器人，无论大小，通常都是通过一系列复杂的制造步骤来制造的，这些步骤集成了肢体、电子设备和有源组件。与使用独立部件提供不同功能的建筑机器人相比，使用多功能超材料建造的机器人具有一定的优势。超材料是一种由重复图案组成的合成结构，旨在展现理想的宏观特性。

　　与块体材料不同，超材料的行为受其工程结构的限制，而不是受其材料成分的驱动。3D打印等增材制造技术加速了复杂超材料的制造，尺寸越来越小，功能前所未有。传统上，制造机器人依赖于组装分立的致动器、传感器、微处理器和电源。机器人超材料通过设想超材料周期结构中的自主性来挑战这一模型。

　　历史上，对超材料的研究主要集中在光学应用上，例如具有超出普通透镜和镜子能力的可调光学特性的超材料。然而，近年来，研究人员越来越多地转向在其他领域采用这一设计原则。例如，可以在不使用传动齿轮的情况下将直线运动转换为旋转的机械超材料，或者可以根据需要调整刚度或变形等体积特性的嵌入式机器人群体。创建机器人超材料的另一种方法是在结构中体现“机器人任务”。例如，人们可以设计一种超材料，其变形可以由电信号控制。

　　鉴于此，《科学》杂志在线发表了加州大学洛杉矶分校郑晓宇教授的新成果。该团队开发了一种新的设计策略和3D打印技术，可以一步到位地制造机器人。第一作者是崔华辰。

　　具体来说，作者开发了一种合理的压电超材料设计方法，它由被动相、压电主动相和导电相组成，可以执行一些机器人任务(图1)。所需的变形模式，如扭曲，大致是通过结构的离散平面的一些运动。

　　反过来，这些平面的允许运动将告诉结构相、致动器和电极如何在压电超材料中组织以产生目标运动。在经典弹性理论中，弹性材料的变形表现为拉伸、压缩和剪切。在本文中，作者应用微极弹性，将旋转与平移结合起来，对经典弹性进行拓展。该方法可以更全面地评估压电超材料因宏观膨胀、剪切、扭转和弯曲引起的微观结构、极化和外加电场。

　　图1。示意图

　　[实验设计]

　　[机器人超材料的添加制造]

　　[多自由度放大和程序应变]

　　由添加剂制成的机器人超材料可以利用电场到机械应变的双向转换来产生运动和感知。逆压电效应赋予机器人驱动能力，正压电效应和双向压电效应分别通过本体感受(自我监测)和外部感知(接触检测和遥感)实现反馈控制。超材料的拓扑结构允许电极直接放置在压电有源柱上，从而产生更强的电场，放大驱动应变。

　　同时，作者巧妙地将驱动和感知交织成一个轻量级的微型复合3D网格，可以四处移动，感知周围环境。然后，通过设计车载控制系统和电源，作者向无拘无束的实施迈出了一步。虽然这种系统级的集成并不多见，但却能充分挖掘现实场景中快速发展的机器人材料的全部潜力，找出它们的不足。

　　考虑到这里讨论的移动压电超材料，压电有源元件的布线仍然是增强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碍。尽管存在这些限制，但作者证明了当移动性和不受约束的自主性不是必需的时，压电结构可以用作具有六个自由度的紧凑型3D打印操纵器，即，它可以沿所有三个轴平移，并绕所有三个轴旋转。