《Science》：3D打印超材料微型機器人，鄭小雨教授團隊

2022年6月17日，南極熊獲悉，《Science》雜志刊登了一篇美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）研究團隊的論文，論文介紹了一種3D打印的超材料微型機器人，可以實現(xiàn)自由的行走、避障甚至跳躍。


此次打印的微型機器人使用超材料，只有硬幣大小，只需要為機器人供電，它就能夠可按照設(shè)置的程序自行移動，沒有復雜的傳動系統(tǒng)。



這項項研究的首席研究員、UCLA工程學院助理教授鄭小雨表示：新方法將復雜的運動、多種傳感模式和可編程決策能力緊密集成在一起，類似于生物系統(tǒng)中的神經(jīng)、骨骼和肌腱協(xié)同工作，以執(zhí)行受控運動。

那么這款3D打印的微型機器人究竟是如何實現(xiàn)運動的呢？

首先，我們需要了解一下什么是超材料：

超材料（英文：Metamaterial）, 拉丁語詞根“meta-”表示“超出、另類”等含義。指的是一類具有特殊性質(zhì)的人造材料，這些材料是自然界沒有的。它們擁有一些特別的性質(zhì)，比如讓光、電磁波改變它們的通常性質(zhì)，而這樣的效果是傳統(tǒng)材料無法實現(xiàn)的。超材料的成分上沒有什么特別之處，它們的奇特性質(zhì)源于其精密的幾何結(jié)構(gòu)以及尺寸大小。其中的微結(jié)構(gòu)，大小尺度小于它作用的波長，因此得以對波施加影響。 對于超材料的初步研究是負折射率超材料。

超材料的奇異性質(zhì)使它具有廣泛的應用前景，從高接收率天線，到雷達反射罩甚至是地震預警。

超材料是一個跨學科的課題，囊括電子工程、凝聚態(tài)物理、微波、光電子學、經(jīng)典光學、材料科學、半導體科學以及納米科技等等。

那么，通過3D打印技術(shù)制造特定的晶格結(jié)構(gòu)，并將不同的晶格結(jié)構(gòu)組合在一起，就能實現(xiàn)特定的功能。比如論文中使用的壓電超材料是一種復雜的晶格材料，可以根據(jù)電場來改變形狀和移動，也可以基于外界受力而產(chǎn)生電荷。


△具有膨脹、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲應變模式的超材料的特征平面、單元格和鑲嵌方法的運動示意圖


△3D打印的壓電超材料晶格，構(gòu)成了微型機器人的單元

△電池供電的機器人的組裝及其控制回路的設(shè)計

再將多個微型機器人單元組合成特定的形狀，在通電之后每個單元的形狀改變，讓機器人實現(xiàn)了移動的效果。通過改變電源的電壓、頻率等參數(shù)，還可以讓微信機器人的運動模式發(fā)生變化。



研究人員在視頻中展示了微型機器人的運動模式，轉(zhuǎn)向模式，跳躍模式，受到攻擊之后轉(zhuǎn)向，過S彎以及砂石路面上的行走。



這個3D打印的超材料微型機器人的尺寸僅有一枚硬幣大小，大大簡化了常規(guī)的運動系統(tǒng)，未來可能會有廣泛的應用價值。比如在生物醫(yī)療領(lǐng)域，制作微型體內(nèi)“游泳機器人”，也可以用于宏觀尺寸的危險環(huán)境探索等。

原文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0090