美科学家开发出可一步构建机器人的新方法

美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)的工程师团队开发了一种可一步构建机器人的新设计策略和3D打印技术。这项研究进展发表在《科学》杂志上，展现了各种能够行走、机动和跳跃的微型机器人的构造。

此次打印的超材料由包含感觉、移动和结构元素的内部网络组成，可按照程序设置自行移动。由于移动和传感的内部网络已就位，唯一需要的外部组件就是为机器人供电的小电池。而新方法的关键是压电超材料的设计和印刷，压电超材料是一种复杂的晶格材料，可响应电场改变形状和移动，或基于物理力而产生电荷。

该项研究的首席研究员、UCLA工程学院助理教授郑小雨表示，新方法将有助于发展一类自主材料，其可取代目前制造机器人的复杂组装过程。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。

研究团队展示了这种机器人与板载电池和控制器的集成，以实现3D打印机器人的完全自主操作，每个机器人都有指甲那么大。这些“元机器人”有望带来生物医学机器人的新设计，如自转向内窥镜或体内“游泳机器人”;未来其还可探索危险环境，如在倒塌的建筑物中快速进入密闭空间，评估危险级别并寻找被困在瓦砾中的人。

研究人员称，他们的驱动元件可在整个机器人中精确布置，以在各种类型的地形上进行快速、复杂和扩展的运动。他们还提出一种设计机器人材料的方法，以便用户可制作自己的模型并将材料直接打印到机器人中。

研究人员演示了3个具有不同功能的“元机器人”：一个展示了绕过S形拐角和随机放置障碍物的能力;另一个可在撞击时逃跑;第3个可在崎岖的地形上行走，甚至可小幅度跳跃。

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将电能转化为运动的活性材料，用在机器人身上并不是什么新鲜事，但这些机器人通常运动范围有限、行进距离不足，即使运动的话也不能脱离类似变速箱的传动系统。而且大多数机器人，无论其大小如何，通常都是由一系列复杂的制造步骤构建的。正是这些步骤，集成了机器人的肢体、电子和有源组件;但也正是这些过程，导致了更重的重量、更大的体积和更少的力输出。相比之下，UCLA开发的机器人材料由复杂的压电和结构元件组成，这些元件的结构巧妙满足了高速伸展、弯曲、扭曲、旋转、膨胀或收缩的运动能力——而这么灵活的机器人，每一个仅硬币大小。