3D打印机器人超材料，可以感知环境、自主导航

随着人工智能技术的飞速发展，智能机器人产业如雨后春笋般茁壮成长。实际上，“机器人”这一词汇最早源于1921年卡雷尔·卡佩克（Karel Capek）的一部科幻剧。

现代机器人的制造过程往往涉及复杂而精细的工序，这些工序融合了机械、电子和能源组件。相较于传统的部件组装方式，利用多功能超材料构建的机器人具有显著优势。超材料是一种由重复图案组成的合成结构，其设计旨在展现理想的宏观特性。

从历史的角度看，超材料的研究最初主要集中在光学应用领域，例如可调谐光学特性的超材料。近年来，科学家们开始将这一设计原理应用于其他领域，挑战了传统的机器人制造模式。例如，机械超材料能够实现无需传动齿轮的线性运动到旋转的转换，或者按需调整体积特性。还有一种超材料，其变形可以通过电信号进行控制，为机器人技术带来了革命性的变革。

在这一领域，《Science》期刊曾在线发表了加州大学洛杉矶分校郑小雨教授团队的新成果。该团队运用独特的设计策略和先进的3D打印技术，实现了机器人的一步构建。该文章的第一作者为崔华晨。

该团队成功开发了一种压电超材料的设计方法，这种材料由无源、压电有源和导电相组成，能够执行多种机器人任务。这种材料的变形模式，如扭曲，是通过结构离散平面的运动来实现的。

为了更全面地评估压电超材料的宏观变形与其微结构、极化和施加电场之间的关系，作者运用了微极弹性理论，结合旋转和平移来扩展经典弹性理论。

在实验设计方面，该团队的核心概念是自由地放置材料在3D单元拓扑中，绕过天然晶体的限制或模仿它们以实现所需特性。为了构建压电活性、导电和结构相，作者引入了一种强大的策略，并定义了广义压电张量来描述架构压电材料的应变转换。

在制造方面，作者开发了一种电荷程序化多材料增材制造技术，该技术能够将压电活性相、结构相和导电相组装成复杂的3D微架构。这种制造技术允许制造具有精确、微尺度3D结构和低孔隙率的压电活性材料。

这种由增材制造出来的机器人超材料，不仅可以使用电场产生机械应变，还可以进行运动和传感的双向转换。逆压电效应赋予了机器人驱动能力，而直接和双向压电效应则通过本体感受（自我监测）和外感受（接触检测和遥感）实现反馈控制。超材料的拓扑结构使得电极能够直接产生更强的电场并放大驱动应变。

该团队巧妙地在一个微型复合3D格子中融合了驱动和感知功能，这种格子能够四处移动并感知周围环境。作者还通过设计板载控制系统和电源，朝着实现系统的完全集成迈出了重要的一步。尽管存在一些挑战，如压电活性元件的布线和功率分配等问题需要克服，但这一领域的发展潜力巨大。

未来，随着科学技术的不断进步和创新思维的不断激发，我们期待看到更多令人惊叹的机器人超材料问世，为我们的生活带来更多便利和惊喜。在无需追求移动性和完全自主性的场景下，已经有人证明了一个独特的设计理念：压电架构可以巧妙转化为一种配备六个自由度的紧凑型三维打印机械手。这个机械手如同一位灵活的工匠，不仅能在水平、垂直和深度三个维度上自如平移，还能围绕这三个轴流畅旋转，展现出惊人的操作精度和稳定性。

压电技术的运用，使得这款机械手在设计和功能上实现了质的飞跃。它摒弃了传统机械手的复杂结构和庞大体积，以紧凑、高效的设计满足了现代制造业对于高精度、高效率的需求。无论是复杂的零件制作还是精细的组装任务，这款机械手都能游刃有余地完成。

这样的设计不仅打破了移动性和自主性的限制，更展示了压电架构在制造业中的巨大潜力。未来，随着技术的不断进步和应用的深入，我们有理由相信，这种基于压电技术的机械手将在更多领域得到广泛应用，为制造业的未来发展注入新的活力。