《Science》：3D打印超材料微型機(jī)器人，鄭小雨教授團(tuán)隊(duì)

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


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



這項(xiàng)項(xiàng)研究的首席研究員、UCLA工程學(xué)院助理教授鄭小雨表示：新方法將復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)、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(yùn)動(dòng)。

那么這款3D打印的微型機(jī)器人究竟是如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)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(shí)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(zhǎng)，因此得以對(duì)波施加影響。 對(duì)于超材料的初步研究是負(fù)折射率超材料。

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

超材料是一個(gè)跨學(xué)科的課題，囊括電子工程、凝聚態(tài)物理、微波、光電子學(xué)、經(jīng)典光學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)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(shí)現(xiàn)特定的功能。比如論文中使用的壓電超材料是一種復(fù)雜的晶格材料，可以根據(jù)電場(chǎng)來改變形狀和移動(dòng)，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(yīng)變模式的超材料的特征平面、單元格和鑲嵌方法的運(yùn)動(dòng)示意圖


△3D打印的壓電超材料晶格，構(gòu)成了微型機(jī)器人的單元

△電池供電的機(jī)器人的組裝及其控制回路的設(shè)計(jì)

再將多個(gè)微型機(jī)器人單元組合成特定的形狀，在通電之后每個(gè)單元的形狀改變，讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式發(fā)生變化。



研究人員在視頻中展示了微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(gè)3D打印的超材料微型機(jī)器人的尺寸僅有一枚硬幣大小，大大簡(jiǎn)化了常規(guī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，未來可能會(huì)有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。比如在生物醫(yī)療領(lǐng)域，制作微型體內(nèi)“游泳機(jī)器人”，也可以用于宏觀尺寸的危險(xiǎn)環(huán)境探索等。

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