普林斯頓大學(xué)艾蜜莉·戴維森教授與格勞西奧·保利諾教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，用一臺(tái)定制3D打印機(jī)造出一種能反復(fù)運(yùn)動(dòng)且不易磨損的軟體機(jī)器人。他們把可打印的液晶彈性體、柔性電子元件和折紙折疊技術(shù)揉在一起，成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》期刊上。

演示用的機(jī)器人是一只紙鶴造型的軟體鳥，通電后翅膀就能扇動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)不靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而是靠聚合物內(nèi)部受控加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能按預(yù)設(shè)程序精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)，反復(fù)折疊后依然保持原狀，沒有磨損或變形。

液晶彈性體分子定向排列決定折疊路徑

打印過(guò)程從熔融聚合物開始，戴維森定制的3D打印機(jī)將材料按圖案分區(qū)打印。雖然材料柔軟，但內(nèi)部是液晶彈性體，分子結(jié)構(gòu)有序排列。打印機(jī)在打印時(shí)調(diào)整分子取向，讓每個(gè)分區(qū)分子排列一致。把這些分區(qū)堆疊拼接，就能在材料里造出“鉸鏈”，加熱時(shí)按預(yù)設(shè)方式彎曲。

打印過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)還把柔性電路板直接嵌入材料鉸鏈處。柔性電路板結(jié)構(gòu)讓電路能隨材料一體成型，不用單獨(dú)安裝。戴維森指出，關(guān)鍵突破在于把3D打印液晶彈性體與可量產(chǎn)的印刷電路板整合，協(xié)同設(shè)計(jì)彈性體鉸鏈與柔性電路板，讓這類軟硬結(jié)合機(jī)器人的制造和控制變得可行。

嵌入電路板后，團(tuán)隊(duì)能精準(zhǔn)加熱聚合物特定區(qū)域，配合內(nèi)置溫度傳感器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。加熱讓精心設(shè)計(jì)的聚合物按預(yù)設(shè)方式收縮，觸發(fā)鉸鏈處折疊。為確保只在鉸鏈處折疊，團(tuán)隊(duì)還在柔性電路板與聚合物鉸鏈間加入輕質(zhì)玻璃纖維板。運(yùn)動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型源自折紙規(guī)律，通過(guò)折疊與展開系統(tǒng)指揮機(jī)器人動(dòng)作。

閉環(huán)溫控算法修正形變誤差提升耐用性

保利諾強(qiáng)調(diào)，控制軟件內(nèi)置溫度傳感器能實(shí)時(shí)補(bǔ)償機(jī)器人反復(fù)形變產(chǎn)生的微小誤差，這是軟體機(jī)器人耐用的關(guān)鍵。除了驗(yàn)證系統(tǒng)可行性，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了軟件工具，設(shè)計(jì)師可據(jù)此自定義機(jī)器人，工具已開源并附在論文數(shù)據(jù)集中。

美國(guó)柔性機(jī)器人領(lǐng)域近年聚焦無(wú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，這類技術(shù)能降低系統(tǒng)復(fù)雜度與重量，特別適合醫(yī)療、巡檢等場(chǎng)景。中國(guó)柔性制造正從傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)向智能軟體轉(zhuǎn)型，這種無(wú)需電機(jī)、靠材料本征特性運(yùn)動(dòng)的方案，為國(guó)產(chǎn)柔性執(zhí)行器提供了新參考路徑。