90后學術伉儷研發(fā)3D打印高能量密度的軟體機器人

來源: DeepTech深科技

近日，29 歲的留學生李碩聯(lián)合妻子，研發(fā)出目前 3D 打印智能材料領域能量密度最高的軟體機器人。


圖 | 左一白鶴丹，右一李碩（來源：受訪者）

當?shù)貢r間 7 月 23 日，相關論文以《數(shù)字光處理制備液晶彈性體及它在自感知人工肌肉方面的應用》（Digital light processing of liquid crystal elastomers for self-sensing artificial muscles）為題發(fā)表在 Science Advances 上。



圖 | 相關論文（來源：受訪者）

李碩告訴 DeepTech，該論文主要介紹了一種智能軟材料 ——液晶彈性體的制備新方法，同時也介紹了其在軟體機器人領域的應用，包括利用材料自身作為傳感器的新方式。



圖 | 本次研究中的軟體機器人（來源：受訪者）

他表示，在軟體機器人領域，科學家們一般重點研究驅(qū)動、傳感和控制。本次該論文主要研究的是將刺激響應聚合物作為驅(qū)動器，通過在液晶彈性體的增材制造過程中取向，成功實現(xiàn)了人工肌肉的大部分特性（包括利用單個部件在局部可逆地收縮、膨脹或旋轉(zhuǎn)）。

攻克材料取向難題

關于該研究的創(chuàng)新點，他表示，液晶彈性體在 1975 年被諾貝爾獎獲得者德熱納（Pierre-Gilles de Gennes）提出以后的幾十年來，得到了化學和材料領域越來越多的關注。

通過結(jié)合液晶的各向異性和高分子網(wǎng)絡的橡膠彈性，輕度交聯(lián)的液晶高分子材料可以在外場（溫度、電場、光）的作用下在各向同性態(tài)和液晶態(tài)快速、可逆地變換，從而產(chǎn)生形狀的變化。



（來源： 受訪者）

由于其良好的外場響應性、結(jié)構(gòu)形態(tài)變化和彈性，液晶彈性體的相關研究逐漸引起了包括軟體機器人在內(nèi)的更廣泛領域的興趣：在外場作用下誘導宏觀物體產(chǎn)生形狀變化可以有效地將其他能量形式轉(zhuǎn)化為機械能，從而有助于實現(xiàn)利用材料自身構(gòu)筑人工肌肉和馬達，并對它們進行遠程快速調(diào)控。

傳統(tǒng)上液晶彈性體的制備面臨兩大難題：高分子合成和液晶分子取向。近幾年來，雖然相關化學合成路徑的研究極大降低了合成難度，液晶分子取向卻依然比較困難，而李碩此次提出的基于數(shù)字光處理（Digital Light Processing, DLP）的 3D 打印技術攻克的正是這一難題。



（來源： 受訪者）

他表示，制作液晶彈性體的傳統(tǒng)方法一般是利用液晶盒法，但這種方法的局限在于液晶盒厚度存在一定限制，通常為 50-100μm，一旦超過就無法成功取向或驅(qū)動，因而極大地限制了這種材料在實際應用方面的表現(xiàn)。

近兩年，研究人員開始探索包擴直接墨水書寫（DIW）在內(nèi)的 3D 打印技術，也就是將未交聯(lián)的液晶低聚物裝入針管后由印刷針頭擠出，通過在擠出過程中產(chǎn)生的剪切應力使液晶元自發(fā)地沿印刷路徑排列完成一維（1D）取向的過程。



（來源： 受訪者）

雖然這種方法已經(jīng)為基于液晶彈性體的新型軟機器人開辟了一條新路徑，但它的一個明顯的缺點在于打印效率比較低。

如果想提高取向程度，針頭就需要非常細，但是針頭越細，打印同體積驅(qū)動器的時間就越長。

基于此，李碩和同事提出利用更高效率的數(shù)字光處理 3D 打印內(nèi)置的剪切運動實現(xiàn)二維（2D）取向的全新辦法。

舉例來說，如果把 DIW 打印過程想象成用圓珠筆一次劃一條線，李碩使用的打印過程則是利用毛刷一次劃一個面，從而極大地提高了打印的效率。

這個想法的提出來源于他在使用組里的 Autodesk Ember 立體光刻造型 3D 打印機時觀察到的一個獨特現(xiàn)象。

他發(fā)現(xiàn)打印平臺相對于填滿光聚合液態(tài)前驅(qū)體的容器在每一層的打印過程后都會產(chǎn)生一個快速的旋轉(zhuǎn)運動，這樣在數(shù)字激光投影產(chǎn)生的紫外光完成高分子聚合后，打印出來的聚合物可以自動從透光玻璃上方脫離，從而打印下一層時實現(xiàn)更佳的平整度。



（來源： 受訪者）

這原本是在實驗過程中的普遍現(xiàn)象，但他覺得該現(xiàn)象可以經(jīng)過簡單的編輯一舉同時實現(xiàn)液晶彈性體合成和取向，因此率先提出了上述想法。

這種材料的合成路徑其實非常簡單，兩種棒狀液晶分子 RM257 和 RM82 的組合可以有效降低液晶彈性體從液晶相到各向同性態(tài)的轉(zhuǎn)化溫度，也是合成的主要原材料。

但是如果只有這兩種液晶分子結(jié)晶度會非常高，即合成出來的材料會特別硬，因此必須加入柔性連接分子，讓整個材料變得軟起來。

同時，還需要交聯(lián)劑和引發(fā)劑，在紫外光源的激發(fā)下把材料從一個眾多的單鏈變成三維的高分子網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。



圖 | 數(shù)字光處理 3D 打印實現(xiàn)二維取向過程（來源：受訪者）

基于材料特性，提出傳感方式的全新思路

此前，白鶴丹的主要研究方向是針對軟體機器人柔性光電傳感的研究，在傳感方式上該課題組最早提出利用光信號進行傳感。在本次研究中，基于材料在光學方面的性質(zhì)，他們又提出了全新傳感思路。

由于液晶彈性體的形狀響應與液晶有序網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)高度耦合，當從室溫加熱至相轉(zhuǎn)化溫度之上時，材料變?yōu)楦飨蛲�性后，隨著宏觀形狀的變化它的透明度也會隨之改變。簡而言之，就是溫度越高，材料越透明，通光率越高。

通過主動將外部的光信號導入材料并接收反射的信號，即可判斷這一形變到底是手動制造的、還是熱力學驅(qū)動產(chǎn)生的。

另外，也可以通過光強信號來判斷彎折變形的大小，該過程是也是該團隊單純通過材料性質(zhì)實現(xiàn)驅(qū)動器自感知的一個嘗試。



圖 | 液晶彈性體光電傳感（來源：受訪者）

制備成本較為便宜，一片材料五美元起

在成本上，李碩表示批量制備液晶分子非常便宜，以制備時使用的驅(qū)動器為例，其厚度一般是幾百微米，一片的材料成本在 5~10 美元。而實驗中使用的打印機也很廉價，購買時的價格在是兩千美元以下。

通過軟體機器人，李碩展示了本次研究的驅(qū)動能力和傳感能力，其中一個展示是讓機器人做可逆抓取運動、爬行運動和舉重，這些都是軟體機器人研究中最經(jīng)常被用來衡量機器人性能的演示。


圖 | 液晶彈性體受熱三維彎曲原理（來源：受訪者）

在打印時，由于打印機的特性，李碩發(fā)現(xiàn)總是有最后一層材料無法被取向。所以相對于液晶彈性體的收縮和膨脹傳統(tǒng)二維形狀變化，他們打印出的驅(qū)動器更多呈現(xiàn)出三維彎曲的形式，而恰巧這種形變方式更便于應用在多種多樣的軟體機器人實際操作中。

該論文第一個展示的機器人樣機是一個微型抓取器，它的長度不到 2cm，寬度是 1.5cm，厚度約為 200μm，它可以輕松抓取并傳送一個加熱過的金屬彈簧。也就是說它不僅體積小，并且具備物體抓取和釋放能力。

在機器人的爬行運動上，李碩認為該材料獨特的局部可驅(qū)動性是實現(xiàn)有效爬行的前提。 如下圖所示，他將熱源控制在不同范圍里，從而讓軟體機器人實現(xiàn)三種爬行形態(tài)： 其一讓其前肢拱起； 其二讓其軀干拱起從而帶動后肢前行； 其三是后肢拱起推動前肢前探。 通過重復前面的組合可以輕松實現(xiàn)爬行。


圖 | 軟體機器人的三種爬行狀態(tài)（來源：受訪者）

他告訴 DeepTech，讓軟體機器人實現(xiàn)爬行的方式是受其導師羅伯特・謝潑德（Robert Shepherd）啟發(fā)。謝潑德在十年前在博后的研究工作中最先提出了基于氣動的四足軟體機器人，相關論文《多步態(tài)軟體機器人》（Multigait soft robot）于 2011 年刊登在 PNAS 上。


（來源：受訪者）

軟體機器人具備舉重能力，則是本次材料的第三個特色。實驗發(fā)現(xiàn)，當機器人的驅(qū)動器只有 56mg 時，就能提起重量接近自身 700 倍的砝碼（40g）。

通過舉重實驗李碩測出了材料做功能力，也就是軟體機器人對外做的功相對于自身重量的比值（約為 63 焦每千克），通過計算模擬進而可以得出材料的能量密度（約為 180 千焦每立方米）；這兩項數(shù)據(jù)都創(chuàng)造了 3D 打印智能軟材料的新紀錄。

刺激響應高分子材料制成的柔性智能驅(qū)動器在眾多領域擁有廣泛的應用前景。對于液晶彈性體來說，常規(guī)的應用場景包括但不限于觸覺顯示器、人工肌肉執(zhí)行器、微型驅(qū)動開關。

李碩表示，本文提到的驅(qū)動器和傳感器的例子，除了對于軟體機器人這個新興研究領域，在其他熱門研究方向，例如柔性電子器件和可植入醫(yī)療器械也會有更多新奇的應用等待探索。



（來源： 受訪者）

曾就讀北京二中，去年獲得優(yōu)秀自費留學生獎學金

李碩通過標準化考試 SAT 和托福直接申請到 UIUC 讀本科，并于大二加入約翰・A・羅杰斯（John A. Rogers）院士課題組。本科期間，其深度參與并作出貢獻的兩個項目分別發(fā)表在 Cell 和 Advanced Materials 期刊上。

在康奈爾大學謝潑德教授課題組讀博期間，他在可拉伸顯示材料方向的研究論文，主要發(fā)表在 Science、 Advanced Materials 等期刊上。目前，其 Google Scholar 引用量為 2450，并于 2020 年獲得國家優(yōu)秀自費留學生獎學金（特別優(yōu)秀獎）。

繼可拉伸顯示材料之后，李碩在博士期間的又一研究方向是基于刺激響應智能材料的軟體機器人。機器人的驅(qū)動、傳感和控制傳統(tǒng)來說可以通過單獨的模塊來實現(xiàn)。

而刺激響應智能材料為機器人提供了自下而上的新思路，即材料本身便可集合機器人所需的三個重要功能于一身，從而實現(xiàn)材料本身就是機器人的目的。

據(jù)悉，本次研究在 2018 年底立項，旨在通過液晶彈性體獨特的熱機械響應和光學性質(zhì)，探索實現(xiàn)材料機器人的可能性。

但他也坦言，準備過程非常長，半年內(nèi)在閱讀了大量文獻之后，才找到一個他認為效率比較高的合成路徑。

然后開始做實驗，并對打印機進行改裝和調(diào)試，以及做材料流體性質(zhì)的優(yōu)化，實驗時間長達半年，2020 年 3 月份中學校因為新冠疫情被迫停課。他趕在實驗室關門前，把實驗做完就開始寫文章。

值得注意的是，是李碩和本次論文的共同第一作者白鶴丹在康奈爾大學讀書時的學姐，他們都師從于軟體機器人先驅(qū)羅伯特・謝潑德（Robert Shepherd）。



圖 | 左一李碩，右一白鶴丹，中間為兩人的導師羅伯特・謝潑德（Robert Shepherd）（來源：資料圖）

據(jù)悉，李碩于 1992 年出生于西安，小學隨父母搬到北京，后來在北京二中讀完中學，通過標準化考試 SAT 和托福直接申請到了伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校（UIUC）讀本科，從本科開始就一直是材料工程專業(yè)，博士期間來到康奈爾大學，并成為前文趙慧嬋的師弟。

目前，李碩在美國西北大學做博后研究，繼續(xù)師從約翰・A・羅杰斯院士。談及未來，他計劃在兩三年左右博士后出站，屆時將尋找高校的教職工作。