麻省理工学院推出新型软机器人，爬行、跳跃、抓取无所不能

图为不同磁性活性材料的延时照片。图片来源：麻省理工学院软体活性材料实验室

      新型3D打印机器人可以挤进像墙壁裂缝一样狭小的空间里，还可以跳过绊网或者在车下爬行，这意味着它可以完成几乎所有复杂危险的军方任务。

      陆军纳米技术研究所（ISN）位于麻省理工学院，其中的研究人员成功开发出了一个3D打印平台，可以对复杂的磁驱动设备进行建模和设计。这种新方法需要一个装有电磁喷嘴的3D打印平台，以及一种注入了磁性粒子的新型3D打印墨水。这项新发现可以帮助人们开发新的生物医学应用，完成磁墨水优化以加强软机器人功能，还可以将按需应变的材料系统集成到士兵系统中。

      在必要的时候，军方需要将软机器人的开发和制造作为研究重点之一。这项研究是由Aura Gimm博士在美国陆军研究所的研究办公室进行的。

      陆军研究实验室的Alex Hsieh博士表示：“这项研究在快速改变机器人的三维形状方面，为我们提供了新的思路。麻省理工学院的研究小组利用辅助材料完成了这一任务，这种材料具有不同寻常的内部结构，当暴露在外部磁场时会发生纵向和横向上的缩小。与需要直接机械接触的典型辅助材料不同，它们会在垂直于应力的方向上收缩（这被称为负泊松比）。与此相反，普通材料则会在与压缩负荷正交的方向上展开。实验过程中，研究人员通过远程磁控制使一种超材料结构在0.7秒内向前跳跃了120毫米，就现阶段而言这是很惊人的速度。这个跳跃是由于该结构中储存的弹性和磁势能量的快速释放造成的。这种复杂的变形结构可以在军队中发挥出巨大的潜力，因为可以借助它们生产出柔软机器人，使机器人的四肢变成自然生物的样子。与目前的刚性机器人相比，软机器人可以在复杂的战场地形上更加灵巧地移动。”

印刷工艺和材料组成示意图。铁磁粒子嵌入到复合油墨中并在打印之前利用磁场重新定位。图片来源：美国陆军

      这项技术可以制造出具有爬行、滚动、跳跃或抓取功能的磁性3D打印结构来满足军方的需求。这项研究工作可以控制3D打印设备的磁定向，使它们能够迅速地转变成新的复杂结构，并根据外部磁场做出相应的反应。而这些复杂的形状变化可以得到广泛的应用，例如可重新配置的软电子设备、可以跳跃的机械超材料或者一个可以爬行、滚动、捕捉快速移动物体或运送药物的软机器人。

      尽管其他研究已经利用磁性激活材料完成了简单的动作，但这种新方法既能利用磁控装置进行建模和设计，也能利用软机器人执行陆军相关的复杂任务。

      该方法的基础是直接利用含有铁磁微粒子墨水的弹性体复合材料进行打印，并在打印时将磁场应用于喷嘴。该技术在应用中重新定位粒子，将带有图案的磁极性传递给印刷的细丝。这种方法允许研究人员在复杂的3D打印软质材料中对铁磁域进行编程，从而实现一组以前无法实现的转换模式。印刷软材料的驱动速度和功率密度比现有的3D印刷的活性材料要大得多。

有限元模型的模拟以及一种单纤维编码和交变磁域的实验结果都呈现出“m”形状。图片来源:麻省理工学院

      陆军调查员，麻省理工学院的赵教授表示： “我们已经开发出了一个打印平台和一个供其他人使用的预测模型。人们可以设计自己的结构和域模式，并用模型验证它们，甚至还可以将它们打印出来以实现各种功能。通过对结构、领域和磁场的复杂信息进行编程，人们甚至可以打印出像机器人这样的智能机器。”

文章来自PHYS.ORG，原文题目为Army's new 3-D printed shape-shifting soft robots crawl, jump, grab，由材料科技在线汇总整理。