《Science》：3D打印超材料微型机器人，郑小雨教授团队

2022年6月17日，南极熊获悉，《Science》杂志刊登了一篇美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）研究团队的论文，论文介绍了一种3D打印的超材料微型机器人，可以实现自由的行走、避障甚至跳跃。


此次打印的微型机器人使用超材料，只有硬币大小，只需要为机器人供电，它就能够可按照设置的程序自行移动，没有复杂的传动系统。



这项项研究的首席研究员、UCLA工程学院助理教授郑小雨表示：新方法将复杂的运动、多种传感模式和可编程决策能力紧密集成在一起，类似于生物系统中的神经、骨骼和肌腱协同工作，以执行受控运动。

那么这款3D打印的微型机器人究竟是如何实现运动的呢？

首先，我们需要了解一下什么是超材料：

超材料（英文：Metamaterial）, 拉丁语词根“meta-”表示“超出、另类”等含义。指的是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的。它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。 对于超材料的初步研究是负折射率超材料。

超材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景，从高接收率天线，到雷达反射罩甚至是地震预警。

超材料是一个跨学科的课题，囊括电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等等。

那么，通过3D打印技术制造特定的晶格结构，并将不同的晶格结构组合在一起，就能实现特定的功能。比如论文中使用的压电超材料是一种复杂的晶格材料，可以根据电场来改变形状和移动，也可以基于外界受力而产生电荷。


△具有膨胀、剪切、扭转和弯曲应变模式的超材料的特征平面、单元格和镶嵌方法的运动示意图


△3D打印的压电超材料晶格，构成了微型机器人的单元

△电池供电的机器人的组装及其控制回路的设计

再将多个微型机器人单元组合成特定的形状，在通电之后每个单元的形状改变，让机器人实现了移动的效果。通过改变电源的电压、频率等参数，还可以让微信机器人的运动模式发生变化。



研究人员在视频中展示了微型机器人的运动模式，转向模式，跳跃模式，受到攻击之后转向，过S弯以及砂石路面上的行走。



这个3D打印的超材料微型机器人的尺寸仅有一枚硬币大小，大大简化了常规的运动系统，未来可能会有广泛的应用价值。比如在生物医疗领域，制作微型体内“游泳机器人”，也可以用于宏观尺寸的危险环境探索等。

原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0090