图片来源：Rayne Research Group/UCLA
来自美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的科研团队开发出了一种全新的机器人设计制造和3D打印技术，可以无需装配，一步到位制作机器人。该团队在《科学》（Science）期刊发表了论文，简述了他们的成果，并演示了他们用这种技术制作出的可以行走、机动和跳跃的小机器人。
这一突破使机器人所需的全部机械结构和电子系统能够通过一种新型的3D打印工艺一次性制造出来。制作者可以直接打印出具有多种功能的活性材料（也称为超构材料）。最后制作出的“元机器人（meta-bot）”能够进行运动、感知和决策。
这种被打印出来的超构材料不光可以作为机器人的结构框架，同时它内部的网格结构使它具备了传感和运动的功能，可以根据编写好的指令自主运动。其本身的结构已经具有了传感和致动的功能，唯一需要外加的部件只有电池。
“我们希望这种智能机器人材料的设计和打印方法可以助力一系列自动化材料（autonomous materials）的发展，在未来能够替代现有的复杂的机器人装配流程。”该项目的主要研究者，UCLA萨穆埃利工程学院（Samueli School of Engineering）助理教授郑小雨（Xiaoyu Rayne Zheng）如是说。“它具有复杂运动、多态感知和可编程决策能力，就像是一个骨骼、肌腱、神经同步工作控制运动的生物系统一样。”
该团队展示了集成控制装置和电池的成果，每台机器人都只有指甲盖大小。根据郑的说法，这种新技术可以为医疗机器人领域带来全新的设计思路，例如自动内窥镜或者微型游泳机器人。这些微小的机器人可以在人体内自主运动，通过超声波避障和寻路，到达特定的位置递送药物。
这些“元机器人”还可以被用于探索危险环境。例如，在一座倒塌的建筑物中，一群集成了传感部件的微型机器人可以快速进入密闭空间，评估危险程度，并寻找被困在瓦砾中的人员，帮助救援工作的进行。
来源：Rayne Research Group/UCLA
绝大多数的机器人，无论尺寸大小，都需要通过一系列的复杂工艺去制作它们的躯体、电子设备和运动部件，并加以组装。这使得最后的成果相比于这种新技术制作的机器人来说笨重、冗余且输出效率低。
而这项新技术的关键是设计和制造具有压电效应的超构材料。他们设计出了一种由大量微小网格组成的超构材料，可以在电流作用下改变形状，并在形状受外力改变的时候输出电流。
能将电能直接转化为运动的活性材料并不是个新概念。然而，这类材料往往在它们的运动范围和距离上有很大的局限。它们往往需要被连接在齿轮箱之类的传动系统上来完成对机体的驱动。
然而，UCLA团队此次开发的机器人（每个都只有一枚硬币大小）高度集成了具有双向压电效应的结构材料，它能以很高的速率弯折、翻转、扭曲、旋转、扩张和收缩。同时，该团队还发布了一套设计此类材料的方法，方便用户设计自己的作品，并直接用3D打印制作机器人。
来源：Rayne Research Group/UCLA
“这使得机器人的致动单元可以被精确调控，在不同类型的表面作出快速、复杂的运动，”论文一作、来自郑小雨“增材生产和超构材料实验室”（Additive Manufacturing and Metamaterials Laboratory）的博士后崔华晨这样解释道。“这种材料具有双向的压电效应，这使得它能自主感知自己的状态，通过超声波回波来探测障碍，依靠一个负循环调控来调节机器人的运动方向的速度。”
利用这种技术，该团队制作并展示了三台功能不同的“元机器人”。其中一台可以绕过随机布置的障碍，通过S形弯道。另一台可以响应刺激并逃离。还有一台可以通过粗糙地面，甚至能够小幅度跳跃。
翻译：董聿恒
审校：魏潇
引进来源：UNIVERSITY OF CALIFORNIA-LOS ANGELES
本文来自：中国数字科技馆
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