增材制造使三維結(jié)構(gòu)的刺激響應(yīng)材料的設(shè)計(jì)成為可能。與生物系統(tǒng)傳感、驅(qū)動(dòng)和控制功能緊密結(jié)合在一起不同，很少有建構(gòu)化材料具有類似復(fù)雜性。

近日，來自美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究者，報(bào)告了一種能夠進(jìn)行多自由度運(yùn)動(dòng)，在電場(chǎng)的響應(yīng)下，可在指定方向上放大應(yīng)變(反之亦然)的機(jī)器人超材料。相關(guān)論文以Design and printing of proprioceptive threedimensional architected robotic metamaterials為題發(fā)表在Science上。

通過一個(gè)由相互連接的壓電、導(dǎo)電和結(jié)構(gòu)相組成的三維網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)從電場(chǎng)向指定方向任意機(jī)械應(yīng)變的雙向轉(zhuǎn)換。數(shù)值分析和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，這些三維微架構(gòu)壓電材料呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)材料無法實(shí)現(xiàn)的壓電應(yīng)變常數(shù)，并導(dǎo)致大量電場(chǎng)誘導(dǎo)的應(yīng)變轉(zhuǎn)換。具有設(shè)計(jì)特征的3D微結(jié)構(gòu)的材料可以直接作為微型機(jī)器人執(zhí)行許多機(jī)器人任務(wù)，包括運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向、步進(jìn)、雙向聲音和超聲波轉(zhuǎn)導(dǎo)，以及通過反饋控制做出決策。

這種多材料增材制造技術(shù)所得到的超材料塊具有毫秒到厘米的尺寸，能夠輸出具有高阻擋力的多自由度運(yùn)動(dòng)，以及感知接觸和遠(yuǎn)程刺激。與其他驅(qū)動(dòng)材料(如介電彈性體)相比，機(jī)器人超材料具有驅(qū)動(dòng)電壓低、頻率范圍寬、雙向傳感和驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。此項(xiàng)研究對(duì)未來微型機(jī)器人、傳感器和機(jī)器人材料的發(fā)展有直接影響，通過簡(jiǎn)化的人工材料，將有可能實(shí)現(xiàn)理想的運(yùn)動(dòng)和決策。