通过4D打印一次性成形的自滚动软机器人

供稿人： 高琳 谢璇璇 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

4D打印比3D打印多“时间”维度，其制品具有各种刺激响应行为。最近，天津大学封伟教授团队克服了4D打印直接获得智能软机器人的科技难题，开发出无约束自滚动软机器人，这一机器人通过HOT-DIW（高工作温度的墨水直写）技术打印液晶弹性体，无需任何前、后处理程序，具有自发滚动、机器触觉和环境适应性等能力。

自发滚动机器人是双层矩形结构，两层打印方向之间有 90°的差异，如图1（a）所示，在2Mpa挤出压力及10mm/s打印速度下，打印墨水一经挤出即被UV光固化，且其中的液晶弹性体在挤出过程的剪切应力作用下自动完成定向排列，为热源刺激下各向异性变形提供了结构基础。 打印完成的双层矩形结构加热到160°C以上时发生卷曲，形成管状机器人。接触加热板使机器人整体具有温度梯度，各部分变形量不匹配，出现无约束自滚动行为。管状机器人的曲率中心方向与滚动运动方向相反，10厘米长的机器人可以在水平平面上达到超过48cm/min的最大速度，并爬上约20°的斜坡（图1（b））。 机器人的触觉感应能力与昆虫的天线相似，在碰到不可逾越障碍物时，机器人的曲率方向发生翻转，进而改变方向。此外，机器人可以携带40倍于自身重量的负载，展现了运输行业潜在适用性。


(a) HOT-DIW示意图 (b)一次性成形与运动能力示意图 图1 4D打印自滚动机器人制造过程与运动能力
参考文献：
Fei Z, Yiyu F, Zeyu L, Yuxin X, Jing G, Hui W, et al. 4D-Printed Untethered Self-Propelling Soft Robot with Tactile Perception: Rolling, Racing, and Exploring. Matter. 2021.