4D打印仿生觸覺應變軟體機器人：自主驅動翻越障礙，可深入極端環境探測運輸

近年，一類看起來黏黏糊糊的軟體機器人（Soft Robot）持續受到科學家們的關注。這種由軟體驅動材料構成的機器人可以大幅改變身體形狀以適應非結構化環境。通過模仿蚯蚓、章魚、水母等無骨骼動物，科研學者希望這類機器人能夠鉆進傳統剛性機器人或人類難以深入的地方開展工作，如深海、災害救援區或戰地現場等。

當前，軟機器人的制作工藝多采用手工裝配，這種制造方法不僅限制了材料的選擇范圍，其復雜的程序也使得生產效率較低。近年來，隨著 3D 打印技術的成熟，使用 3D 打印制造軟體機器人成為科學家們的最佳選擇之一。

近日，天津大學的封偉團隊在此基礎上更進一步，他們在 3D 打印軟體機器人的制作上增加了時間維度，即使用 4D 打印，制作出了能自主驅動并響應刺激的智能軟體機器人。

4D 打印一步塑成，簡單快速賦予機器生命力

3D 打印，即增材制造（AdditiveManufacturing，AM）   ，是一種 “自下而上” 的制造方法。這種技術以數字模型為基礎，能夠自動將設計思想通過堆積的方式對材料進行加工和塑型。通過結合計算機輔助設計、材料加工與成型技術，3D 打印能夠顯著提高生產效率和制造靈活性。

傳統上，3D 打印所使用的材料包括金屬、陶瓷、塑料、砂等。倘若將這些傳統材料進化擁有感知能力的智能材料（Intelligent material），便可以實現人工智能（AI,Artificial Intelligence）的快速制造。這種對智能材料的精確加工，就是 4D 打印技術。

使用 4D 打印技術制造軟體機器人能夠顯著提高生產效率和制造靈活性。但目前，通過 4D 打印直接獲得智能軟體機器人仍面臨諸多問題。最大的難點便是材料和設備的契合上。

“在這個領域不僅要做我們的老本行——材料，還要跨領域組裝設備，最后要讓材料與設備高度契合才能獲得最佳的打印屬性，這是最大的難點。" 封偉介紹道。

近日，Cell 出版社旗下頂尖期刊 Matter 發表了封偉團隊的最新成果，題目為 “4D Printed untethered self-propelling soft robot with tactileperception: rolling, racing, and exploring”。他們通過 4D 打印對智能材料 “液晶彈性體” 進行精確加工，一步獲得具有感知能力和適應性的智能軟體機器人。

該機器人在加熱到 160 攝氏度時可以自主由矩形變為螺旋管狀，并實現 “無繩” 自動滾走。傳統軟體機器人需要“系繩”連接到電源以獲得驅動力，封偉團隊的軟體機器人在智能材料的加持下，實現了無需外力的自主驅動，脫離了 “系繩” 的束縛。

演示中，這個 10 厘米長的軟體機器人在水平面上行動的最高速度達到了每分鐘 48 厘米，并最終能在 20 度左右的斜坡上爬行。軟體機器人的速度可以通過改變尺寸進行調整。

在制造軟機器人方面，現有的 4D 打印智能材料還包括形狀記憶聚合物和水凝膠，前者在打印后還需要進行進一步加工才能獲得變形能力，因此增加了生產的不穩定因素；后者水凝膠的變形能力有限，且只能應用在水環境中。

1981 年， Finkelmann 等人通過側鏈液晶聚合物交聯，制備出世界上首例液晶彈性體（Liquid crystal elastomer，LCE）。這是一種可響應外界刺激、并產生可逆驅動的智能高分子材料。它兼具了彈性體和液晶的雙重優勢，即彈性、有序、可流動，在有熱或者電信號的刺激下可以改變形狀。該材料在變形時的特性與生物肌肉在遇到神經細胞的信號時的收縮非常相似，因此在人造肌肉等方面頗具應用前景，近年來也被應用到軟體機器人的打印中。

"我們是將液晶單體輕度聚合成有剪切變稀特性的前驅體墨水，然后通過熱直寫技術將墨水按一定的路徑擠出成型，并在擠出的同時用紫外光將模型固化，得到各種形狀的樣品。"

“該機器人在一次打印成型后即具有熱致無約束滾動能力，無需任何其他后續加工程序，制作簡單快速，重復性好。” 封偉表示，“最讓我們驚喜的是這種機器人的自主性，以及在遇到障礙物時的智能仿生行為。"

仿生物感知能力：自主行動+觸覺應變

人工智能的 “智” 通常是指在思維、感知與行動三方面擁有與人類匹敵甚至超于人類的能力。機器感知（Machineperception）是其中一個重要方向，即用機器或計算機模擬、延伸和擴展人的感知或認知能力，包括視覺、聽覺、觸覺等。目前的軟體機器人，尤其是由單種材料構成的軟體機器人，離真正的人工智能仍有很長的距離。

封偉團隊此次運用智能材料制造出來的軟體機器人在行為學上體現了一定智能性。軟體機器人的滾動方向由其螺旋筒狀身軀的曲率方向控制，這賦予了軟體機器人類似昆蟲觸角的觸覺感知能力，能夠探測前方道路障礙物，并自主實現翻越或折返等行為。

此外，螺旋管的中空部位為貨物裝載提供了空間。根據測量，該軟體機器人可以承受自重量 40 倍的負載，這使其同時具備在高溫環境下進行貨物運輸和智能探測的能力。

“我們希望通過 4D 打印能獲得具有感知能力和適應性的智能軟體機器人，而不是僅僅只會變形的致動器。” 封偉表示。

觸覺傳感器是《科技日報》提出的 35 項“卡脖子”技術之一，封偉團隊接下來將會著力研究智能觸覺感知材料和相關應用，使其模仿人類皮膚，把溫度、濕度、力等感覺用定量的方式表達出來，賦予機器人感知的能力。

“目前的研究多數都是基于彎曲變形的致動器，這僅僅是初步的刺激響應性。我們希望未來的軟體機器人能具有更豐富的智能驅動能力，可以模仿更多動物或人的行為。”

本文章第一作者為天津大學材料學院博士研究生翟飛，封偉教授為本文通訊作者。近年來，封偉教授團隊在智能材料領域開展了一系列創新性研究工作。封偉所帶團隊主要從事功能性高分子新材料和有機光電器件以及納米復合材料的相關研究，特別是光、電響應高分子新材料的研究。刺激響應高分子材料主要有形狀記憶聚合物、水凝膠材料、液晶彈性體材料等。封偉團隊在本領域主攻偶氮分子基光響應材料、聚合物基應力應變傳感、熱傳感材料研究。目前，課題組主要在國家自然科學基金重點項目、面上項目、科技部973項目等支持下開展基礎理論及應用開發研究。

對于國內的領域發展狀況，封偉表示：“當前中國的 4D 打印研究還處于一個起步階段，不論是設備還是材料都亟需深度開發，不同類型的設備需要各自特定的智能材料墨水，這些都需要從頭做起，而且需要跨領域跨行業的深度合作才能整體推動進步。目前，在這種跨行業合作方面的力度還不夠。總的來說，4D 打印技術代表了智能制造的未來，是一個值得大力投入的高精尖領域。”

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