一步打造机器人的3D打印技术突破

加州大学洛杉矶分校（UCLA）的工程师团队开发了一种新的3D打印技术和设计策略，能够在一步中打造机器人。

该研究展示了如何构建和使机器人行走、操纵和跳跃，发表在科学杂志上。

突破性的3D打印工艺

这种新技术涉及一种用于工程活性材料的3D打印工艺，这些材料具有多种功能，或者说是“超材料”。它使得能够同时制造出机器人运行所需的整个机械和电子系统。一旦“超级机器人”被3D打印出来，它就可以执行运动、推进、感知和决策。

打印材料由一个内部网络组成，包括感知、运动和结构元素，这些元素可以在被编程后自行移动。由于这个内部网络被集中在一起，只需要生产一个外部组件——一个小电池来为机器人提供动力。

郑晓宇（Rayne Zheng）是该研究的首席研究员，也是加州大学洛杉矶分校萨莫利工程学院的土木和环境工程、机械和航空工程副教授。

“我们设想，这种智能机器人材料的设计和打印方法将有助于实现一种能够取代当前机器人复杂装配过程的自治材料类别，”郑晓宇说。“具有复杂运动、多种感知模式和可编程决策能力的机器人，与生物系统类似，具有神经、骨骼和腱等协同工作的结构，以执行受控运动。”

潜在应用

该团队将一个集成的电池和控制器加入到3D打印机器人中，使其成为完全自治的机器人。每个机器人大小约相当于一个指甲，每个机器人都可以独立行走、操纵和跳跃。根据郑晓宇的说法，这种新方法可能会导致用于生物医学机器人的新设计。例如，一个可以在血管附近自主游泳并在身体目标部位交付药物的机器人。

3D打印机器人的另一个应用是将它们发送到危险环境中，例如倒塌的建筑物中，一群机器人可以进入狭窄的空间。这些“超级机器人”可以评估威胁水平并协助救援工作。

这是机器人领域的一个重大突破，因为大多数当前的机器人需要一系列复杂的制造步骤来构建它们。这种过程会导致机器人变得更重、更笨重、更脆弱。

为了开发这种新方法，该团队依赖于一类复杂的格子材料，这些材料可以在受到电场的影响时改变形状和方向。它们也可以在受到物理力时产生电荷。

开发新的机器人材料

该团队开发的机器人材料大小约相当于一分钱硬币，由结构元素组成，这些元素可以使机器人弯曲、扭转、膨胀、收缩或旋转得很快。

此外，该团队发布了一种可以用来设计机器人材料的方法，使用户能够创建自己的模型。

海晨·崔是该研究的第一作者，也是郑晓宇团队的博士后研究员。

“这使得执行元素可以精确地布置在机器人身上，以实现快速、复杂和长时间的运动在各种类型的地形上，”海晨·崔说。“通过双向压电效应，机器人材料也可以自我感知其扭曲，通过回声和超声波发射检测障碍，并通过反馈控制回路响应外部刺激，以确定机器人如何移动、移动速度和移动目标。”

该团队使用这种方法构建了三个不同的“超级机器人”，展示了不同的能力：

1. 可以绕过S形拐角和随机放置的障碍的机器人
2. 可以在受到接触冲击时逃脱的机器人
3. 可以在粗糙地形上行走并跳跃的机器人

这种新的3D打印技术将在机器人领域发挥重要作用，使机器人的构建更加高效。

这项突破性的研究还包括其他作者，如姚德生、Ryan Hensleigh、徐振鹏和卢浩天，他们是研究生；Ariel Calderon，博士后研究员；Zhen Wang，开发工程师；Sheyda Davaria，弗吉尼亚理工大学的研究助理；Patrick Mercier，圣地亚哥加州大学电气和计算机工程副教授；以及Pablo Tarazaga，德克萨斯A&M大学机械工程教授。