4D打印仿生触觉应变软体机器人：自主驱动翻越障碍，可深入极端环境探测运输

近年，一类看起来黏黏糊糊的软体机器人（Soft Robot）持续受到科学家们的关注。这种由软体驱动材料构成的机器人可以大幅改变身体形状以适应非结构化环境。通过模仿蚯蚓、章鱼、水母等无骨骼动物，科研学者希望这类机器人能够钻进传统刚性机器人或人类难以深入的地方开展工作，如深海、灾害救援区或战地现场等。

当前，软机器人的制作工艺多采用手工装配，这种制造方法不仅限制了材料的选择范围，其复杂的程序也使得生产效率较低。近年来，随着 3D 打印技术的成熟，使用 3D 打印制造软体机器人成为科学家们的最佳选择之一。

近日，天津大学的封伟团队在此基础上更进一步，他们在 3D 打印软体机器人的制作上增加了时间维度，即使用 4D 打印，制作出了能自主驱动并响应刺激的智能软体机器人。

4D 打印一步塑成，简单快速赋予机器生命力

3D 打印，即增材制造（AdditiveManufacturing，AM）   ，是一种 “自下而上” 的制造方法。这种技术以数字模型为基础，能够自动将设计思想通过堆积的方式对材料进行加工和塑型。通过结合计算机辅助设计、材料加工与成型技术，3D 打印能够显著提高生产效率和制造灵活性。

传统上，3D 打印所使用的材料包括金属、陶瓷、塑料、砂等。倘若将这些传统材料进化拥有感知能力的智能材料（Intelligent material），便可以实现人工智能（AI,Artificial Intelligence）的快速制造。这种对智能材料的精确加工，就是 4D 打印技术。

使用 4D 打印技术制造软体机器人能够显著提高生产效率和制造灵活性。但目前，通过 4D 打印直接获得智能软体机器人仍面临诸多问题。最大的难点便是材料和设备的契合上。

“在这个领域不仅要做我们的老本行——材料，还要跨领域组装设备，最后要让材料与设备高度契合才能获得最佳的打印属性，这是最大的难点。" 封伟介绍道。

近日，Cell 出版社旗下顶尖期刊 Matter 发表了封伟团队的最新成果，题目为 “4D Printed untethered self-propelling soft robot with tactileperception: rolling, racing, and exploring”。他们通过 4D 打印对智能材料 “液晶弹性体” 进行精确加工，一步获得具有感知能力和适应性的智能软体机器人。

该机器人在加热到 160 摄氏度时可以自主由矩形变为螺旋管状，并实现 “无绳” 自动滚走。传统软体机器人需要“系绳”连接到电源以获得驱动力，封伟团队的软体机器人在智能材料的加持下，实现了无需外力的自主驱动，脱离了 “系绳” 的束缚。

演示中，这个 10 厘米长的软体机器人在水平面上行动的最高速度达到了每分钟 48 厘米，并最终能在 20 度左右的斜坡上爬行。软体机器人的速度可以通过改变尺寸进行调整。

在制造软机器人方面，现有的 4D 打印智能材料还包括形状记忆聚合物和水凝胶，前者在打印后还需要进行进一步加工才能获得变形能力，因此增加了生产的不稳定因素；后者水凝胶的变形能力有限，且只能应用在水环境中。

1981 年， Finkelmann 等人通过侧链液晶聚合物交联，制备出世界上首例液晶弹性体（Liquid crystal elastomer，LCE）。这是一种可响应外界刺激、并产生可逆驱动的智能高分子材料。它兼具了弹性体和液晶的双重优势，即弹性、有序、可流动，在有热或者电信号的刺激下可以改变形状。该材料在变形时的特性与生物肌肉在遇到神经细胞的信号时的收缩非常相似，因此在人造肌肉等方面颇具应用前景，近年来也被应用到软体机器人的打印中。

"我们是将液晶单体轻度聚合成有剪切变稀特性的前驱体墨水，然后通过热直写技术将墨水按一定的路径挤出成型，并在挤出的同时用紫外光将模型固化，得到各种形状的样品。"

“该机器人在一次打印成型后即具有热致无约束滚动能力，无需任何其他后续加工程序，制作简单快速，重复性好。” 封伟表示，“最让我们惊喜的是这种机器人的自主性，以及在遇到障碍物时的智能仿生行为。"

仿生物感知能力：自主行动+触觉应变

人工智能的 “智” 通常是指在思维、感知与行动三方面拥有与人类匹敌甚至超于人类的能力。机器感知（Machineperception）是其中一个重要方向，即用机器或计算机模拟、延伸和扩展人的感知或认知能力，包括视觉、听觉、触觉等。目前的软体机器人，尤其是由单种材料构成的软体机器人，离真正的人工智能仍有很长的距离。

封伟团队此次运用智能材料制造出来的软体机器人在行为学上体现了一定智能性。软体机器人的滚动方向由其螺旋筒状身躯的曲率方向控制，这赋予了软体机器人类似昆虫触角的触觉感知能力，能够探测前方道路障碍物，并自主实现翻越或折返等行为。

此外，螺旋管的中空部位为货物装载提供了空间。根据测量，该软体机器人可以承受自重量 40 倍的负载，这使其同时具备在高温环境下进行货物运输和智能探测的能力。

“我们希望通过 4D 打印能获得具有感知能力和适应性的智能软体机器人，而不是仅仅只会变形的致动器。” 封伟表示。

触觉传感器是《科技日报》提出的 35 项“卡脖子”技术之一，封伟团队接下来将会着力研究智能触觉感知材料和相关应用，使其模仿人类皮肤，把温度、湿度、力等感觉用定量的方式表达出来，赋予机器人感知的能力。

“目前的研究多数都是基于弯曲变形的致动器，这仅仅是初步的刺激响应性。我们希望未来的软体机器人能具有更丰富的智能驱动能力，可以模仿更多动物或人的行为。”

本文章第一作者为天津大学材料学院博士研究生翟飞，封伟教授为本文通讯作者。近年来，封伟教授团队在智能材料领域开展了一系列创新性研究工作。封伟所带团队主要从事功能性高分子新材料和有机光电器件以及纳米复合材料的相关研究，特别是光、电响应高分子新材料的研究。刺激响应高分子材料主要有形状记忆聚合物、水凝胶材料、液晶弹性体材料等。封伟团队在本领域主攻偶氮分子基光响应材料、聚合物基应力应变传感、热传感材料研究。目前，课题组主要在国家自然科学基金重点项目、面上项目、科技部973项目等支持下开展基础理论及应用开发研究。

对于国内的领域发展状况，封伟表示：“当前中国的 4D 打印研究还处于一个起步阶段，不论是设备还是材料都亟需深度开发，不同类型的设备需要各自特定的智能材料墨水，这些都需要从头做起，而且需要跨领域跨行业的深度合作才能整体推动进步。目前，在这种跨行业合作方面的力度还不够。总的来说，4D 打印技术代表了智能制造的未来，是一个值得大力投入的高精尖领域。”

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