本体感知三维架构机器人超材料的设计和打印

本体感知三维架构机器人超材料的设计和打印

文章出处：Huachen Cui, Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Haotian Lu, Ariel Calderon, Zhenpeng Xu, Sheyda Davaria, Zhen Wang, Patrick Mercier, Pablo Tarazaga, Xiaoyu (Rayne) Zheng. Design and printing of proprioceptive three-dimensional architected robotic metamaterials. Science 2022, 376, 1287-1293.

增材制造技术的进步使得制造具有超高刚度和损伤容限、奇异力学行为、负热膨胀系数、流体控制和波传播的材料成为可能。这些材料可以通过将结构元素以比特和原子的形式放置在三维布局中进行数字化设计。构建电子和多功能材料及其组合的潜力仍然难以捉摸，因为大多数添加剂制造技术都集中在单一结构材料上，如聚合物、金属和陶瓷。设计功能材料可以在功能空间中提供奇异的和可配置的特性，如方向性、变形性和可重构性。

εm = dnmEn; φm = –dnmEn (公式1)

式中，En为沿n方向的电场，在笛卡尔坐标下(n = 1-3)；εm和φm (m = 1-6)分别为方向应变张量和耦合应变张量；dnm是压电张量，仅描述法向应变或剪切应变与电场之间的相关关系；-dnm是扩展的压电张量，其分量表示额外的应变模态，包括扭曲和弯曲。

下一步的设计步骤是将压电支撑放置在一个空间布局中，使其局部应变驱动虚拟特征平面来显示与目标全局应变模态(dnm或-dnm)相对应的运动路径。图1F给出了压电支柱的设计，该支柱产生了特征平面的顺时针旋转，产生了扭转应变模式，对应于非零的压电扭转系数-d33。图中总结了其它应变模态(包括膨胀、剪切和弯曲)的压电支板的三维微结构布局。然后通过在布局中添加一个结构相和一个导电相来完成完整的单元晶胞设计，以匹配压电支柱的对称性(图1G)。

相互穿透的压电相、结构相和导电相允许应变的放大和逻辑相关的减法和加法，从而导致所选应变模式的耦合和抑制。图1J显示了通过镶嵌压电支柱和结构支柱对来放大扩展的单元晶胞设计。图1K展示了局部电极的设计。覆盖选定支柱组的局域电极结构允许对单元晶胞内的极化和电场方向进行编程，从而实现剪切应变和扩展应变输出的复合应变模式或双剪切应变和抑制扩展的解耦应变模式。

图1

这种三维制造方法可以制造具有精确、微尺度三维结构和低孔隙率的压电材料(图2F-2H)。图2K显示了嵌入电极的机器人超材料模块。当施加电场时，压电相和导电相之间的无间隙连接(图2L)导致最小的介电损耗。导电相的最小可达特征尺寸达到20 μm (图2M)，保证了通过这些导电相施加电压时对局域电场的精确控制。打印的压电固体的测量压电常数(d33)高达583 pm·V-1 (APC 90-2030，用d33测量)，表明这些材料优于现有的三维打印压电复合材料或陶瓷(图2N)。选择性图像化的导电相具有很高的导电性，Cu和Au烧结后的导电性分别为3.7 × 106和1.35 × 107 S·m-1 (其中1 S = 1 A·V-1) (图2O)，适合后续驱动，能量损失可以忽略不计。总结了不同材料的表面织构和粗糙度。印刷后晶格材料的力学性能表征，包括强度、弹性模量和耐久性。高精度的制造，高响应的三维打印PZT，和高导电的沉积金属使超材料设计的实现。

图2

图3

这些压电陶瓷结构具有双向的电-机械能转换，即正压电效应和反压电效应。这些超材料可以被开发为具有反馈控制的本体感知微型机器人系统，而不需要将传输和外部传感器结合起来。在单个压电结构中，选择的区域利用逆压电效应作为致动臂，其它使用直接压电效应和双向压电效应的区域分别作为应变传感器和脉冲回波元件(图4A)。

超材料肢的长步和高共振使得步行模式下的最大速度为128 mm·s-1，转弯速度为90o·s-1 (图4D)。由于其宽带响应，机器人超材料实现了脉冲电压输入的短上升时间。这使得驱动能在1 ms内释放，导致微型机器人将前腿举到空中，然后抬起身体和后腿，从而使其从地面上升。跳跃模式使微型机器人能够爬过高架和粗糙的表面(图4E)，这是小冲程压电微型机器人无法实现的运动。压电超材料元件的刚度使大的系统载荷成为可能。在微型机器人上加载各种重量(1-5.6 g)，通过数字图像相关测量其速度。500%的有效载荷可以保持80%以上的原始速度，而采用柔性机构的微型机器人系统在小于200%的有效载荷下可降低大于80%的速度(图4F)。

当脉冲回波元件具有双向压电效应时，机器人超材料也能够感知非接触刺激并作出反应。图4B，在前腿上的元件能够发射和接收聚焦的超声波，该元件具有打印有结构相位的半球形声透镜。闭环控制系统对来自远程目标的回波信号进行处理，更新驱动电压，实现S型路径导航，避开远程障碍物(图4H和4I)。

图4