在实际生活中，是否你曾经幻想过拥有一个可以自己活动的机器人？软机器人的最新研究成果或许可以满足你的需求。相比于刚性系统，软机器人具有更强的通用性。它们柔顺的性质使其能够安全地与生物体或脆弱的物体进行相互作用。并且可以执行由简单的驱动输入引起的复杂运动、与任意形状共形、变化成不同的形状以及承受大变形或压缩而不产生破损。然而，与柔性驱动模式集成相关的挑战限制了它们的应用。迄今为止，软机器人主要依靠嵌在弹性矩阵中的气动网络来驱动和推进。然而，大多数气动软机器人必须与刚性的动力和控制系统相连接，以产生足够的动力。最近，人们探索了一种能对外部和内部刺激(如温度、光线、化学梯度和电场)做出反应的活性材料作为软机器人的构建材料。然而，活性材料也有一些的局限性。例如,电活性致动器必须连接刚性电源、形状记忆聚合物需要手动重新编程、基于水凝胶的致动器必须与气动系统配对才能快速地产生力。创造能够执行复杂任务的软机器人仍然面对许多困难。例如，气动软机器人通常要在整个结构框架上经历较大的变形。预测该系统的运动学需要满足不同边界条件的非线性弹性模型。实现控制系统也会使得问题更加复杂。基于折纸的策略是设计软机器人的一个优异方案，通过简化的可预测运动集合来执行大的形变。通过将变形定位为机器人结构中的折叠，可以极大地简化设计空间，这可以使用连接到平面的驱动铰链来实现。近年来，已经利用该方法构造了具有刚性板载电源和电子控制系统的可重构机器人。越来越多的人对创造能够重复变形和自我推进的软机器人感兴趣。为了实现这一目标，哈佛大学的Jennifer A. Lewis教授等人打印了由液晶弹性体(LCE)双分子层组成的柔性机器人材料，该材料具有正交定向排列和不同的向列-各向同性转变温度(TNI)，可以形成互连的聚合物活动铰链。当加热超过其驱动温度时，打印的LCE铰链表现出较大的可逆弯曲响应。通过改变它们的化学和打印结构可以编程其驱动响应。并且通过集成设计和增材制造方法创建的被动控制软机器人能够基于任务需求变形, 它包括三种稳定结构的自扭曲折纸多面体和一个组装的五角棱柱，并在受到热刺激时可以进行程序化响应来自动滚动。相关论文以“Untethered soft robotic matter with passive control of shape morphing and propulsion”为题，发表在《Science·Robotics》杂志上。图1. 3D打印软机器人材料。(A)活性铰链由低聚物LCE溶液打印，其刚性介原在HOT-DIW期间沿打印路径排列(左)。打印后，立即通过光引发LCE溶液的交联，以锁定所需的取向。然后用丙烯酸酯树脂组成的溶液打印结构块，其通过光引发的交联作用与LCE铰链化学结合(右)。(B) LCE铰链打印为0°/90°和90°/0°双层。一个简单的结构由两个铰链组成，连接三个结构块，显示为打印(中间和顶部)和驱动(中间和底部)。(C)打印的方形扭转可重构结构(左)，并在125°C下驱动(右)。比例尺，1厘米。图2. 活动铰链的顺序和可逆折叠。（A）LTNI（蓝色）和HTNI（橙色）低聚LCE溶液的化学组成（其中n = 3和6，并且分子结构中m = 6）。（B）弯曲角作为温度的函数，用于长度为10 mm，宽度为4 mm，厚度为0.25 mm的LTNI和HTNI LCE铰链。（C）由LTNI，HTNI LCE铰链与山形折叠组成的打印结构将三个结构块互连，当加热（从左到中）和冷却（从中到右）时，所述三个结构块经历顺序致动。比例尺，1厘米。（D）弯曲角作为厚度h的函数，用于固定长度为10 mm，宽度为3 mm的LTNI和HTNI LCE铰链。它们的弯曲角度随厚度减小。其他双层系统的曲率和厚度成反比。图中c是常数，用于比较。两个铰链的最大弯曲角度为180°，这时平面彼此接触。（E）弯曲角作为铰链宽度w的函数，用于固定长度为10 mm，厚度为0.5 mm的LTNI和HTNI LCE铰链。图3. 打印的软机器人材料与编程顺序折叠和变形。(A)以平板形式打印的三角形多面体，由连接结构块的LTNI铰链(顶部部分)和HTNI铰链(底部部分)组成。(B)将打印的平板手工组装成三维三角结构，其在从（C）室温加热到（D）100℃时呈现顺序折叠，这时LTNI LCE铰链致动，到达（E）150℃时HTNI LCE铰链致动。比例尺，1厘米。图4. 打印铰链的扭矩能力。(A) LTNI LCE铰链(10mm×4mm×1mm) 在非偏置的情况下折叠成75°弯曲角。(B)在室温下，当一个质量为10g的物体悬在距LCE铰链1厘米的地方时，它偏转到-72°。当温度超过TNI时，物体提升了约1厘米。(C)所施加的扭矩是铰链折叠角的函数，如插图所定义。铰链的组成和厚度h是影响扭矩输出的主要因素。(D) LCE铰链(5mm×3mm×0.5 mm)经过多次驱动循环，扭矩输出的变化可以忽略不计。比例尺，1厘米。图5. 打印的自驱动结构。(A) 打印配置中的自驱动机器人。(B)滚动配置中的打印结构，其中LTNI LCE铰链诱导折叠成五角形棱柱，HTNI LCE铰链在加热至驱动温度以上时就会驱动机器人。(C)机器人的静止图像，显示其加热后的自驱动运动。在显示的时间序列中，这种结构至少会自驱动6次。[受热面温度为200℃，平均环境温度为45℃。比例尺，1厘米。
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来源：高分子科学前沿
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