4D-utskrivna mjuka robotar kan sätta samman sig själva

En ny 4D-utskriven mjuk robot som utvecklats av forskare vid Cell Press kan sätta samman sig själv när den värms upp. Den kan utföra uppgifter som att rulla uppför och navigera i oförutsägbara landskap. 

Den rörformade prototypen presenterades i tidskriften Matter den 22 september.

Wei Feng är en materialforskare vid Tianjin University i Kina och senior författare till artikeln.

“Liksom en insekt med antenner kan roboten övervinna ett litet hinder. Men när hindret är för högt, kommer den att vända tillbaka”, säger Feng. “Hela processen är spontan utan mänsklig inblandning eller kontroll.”

4D-utskriven med fjärde dimensionen

Roboten är först en platt och rektangulär skiva av en 3D-utskriven flytande kristall-elastomer, som är en typ av plastmaterial som är elastisk. När ytan under denna skiva värms upp, vrider roboten sig upp för att bilda en tub som liknar en spiral. Anledningen till att denna robot är 4D-utskriven och inte 3D-utskriven är att förändringen i form under yttre stimulans lägger till tid som en fjärde dimension.

Kontakten från den heta ytan orsakar en spänning i materialet efter att roboten har bildat en tub. Detta orsakar i sin tur att roboten rullar i en riktning, med den drivande kraften bakom rörelsen är extremt stark. I själva verket är den så stark att roboten kan klättra uppför en 20 graders lutning eller bära vikter som är upp till 40 gånger sin egen. Robotens hastighet beror på dess längd, med de längre robotarna rullar snabbare än de kortare.

Testning av robotarna

Forskarna satte dessa robotar att utföra uppgifter och demonstrera sina färdigheter medan de spelades in. En av dessa inkluderade en tävling mellan de olika storlekarna på robotarna och en annan som bar en vagn. I dessa videor demonstrerade robotarna också hur de kunde ändra sitt beteende beroende på omgivningen. Om roboten mötte ett svårt hinder, kunde den göra saker som att klättra uppför ett steg eller ändra riktning. 

Seniorförfattare Feng var förvånad över robotens beteende.

“Vi bearbetade flytande kristall-elastomerer till prover av olika former genom 4D-utskrifter och stimulerade dessa prover med ljus, värme och elektricitet för att observera deras svar”, säger han. “Vi fann många intressanta drivfenomen utöver deformation.”

Enligt forskarna kan dessa robotar i framtiden användas för att utföra uppgifter i små och trånga utrymmen, såsom i en rörledning. De kan också fungera i extrema förhållanden, såsom intensivt heta ytor.

“Vi hoppas att mjuka robotar inte längre ska begränsas till enkla aktuatorer, som bara kan ändra form i en fast position”, säger Feng.