近日，天津大学材料学院教授封伟领导的团队开发出一种具备自主行动能力和触觉感知的4D打印软体机器人。该机器人在一次打印成型后，即可实现热致无约束滚动，无需任何额外加工步骤。

这一成果发表在《细胞》出版社旗下的顶级期刊《物质》上。

传统制造方法限制了软体机器人的智能化水平

软体机器人是一种新型柔韧机器人，能够在各种非结构化环境中灵活操作，更安全地与人类互动。相比传统机器人，软体机器人更加灵活、适应性强，危险性更低。然而，目前大多数软体机器人仍依赖手工装配工艺制造，这导致了生产难度大、材料选择受限，并难以实现复杂的驱动功能，尤其是自主运动和感知能力。

相比之下，3D打印技术能够自动化地将设计转化为复杂零件，大大提高了生产效率和灵活性。

“我们在3D打印的基础上引入了‘时间’维度，即4D打印，将智能材料加工成对热刺激有反应的动态结构材料。”封伟解释说，目标是通过4D打印获得具有感知和适应能力的智能软体机器人，而不仅仅是变形的致动器。如果软体机器人能够拥有更丰富的驱动现象，就能模拟更多动物或人类的行为，实现真正的智能化。

4D打印直接获得智能软体机器人

通过4D打印直接制造智能软体机器人是一项重大突破。

封伟团队利用4D打印技术对液晶弹性体智能材料进行精密加工，直接制造出具有感知和适应能力的智能软体机器人。“液晶弹性体是由交联聚合物网络构成的，它能将各向异性的刚性介晶单元嵌入其中，结合了橡胶的弹性和液晶的各向异性，展现出独特的光学和物理特性。”封伟指出，液晶内部的原子定向排列导致其不同方向上的性质各异，即各向异性。

团队改造了基于熔融沉积技术的3D打印机，实现了液晶弹性体的精确打印。在此过程中，刚性介晶单元被直接写入三维结构中。介晶的排列顺序通过打印路径设置，从而实现不同的刺激响应效果。

封伟团队利用全新的液晶弹性体热驱动现象，成功制造出具备自主行动能力和触觉感知的4D打印软体机器人。该机器人在一次打印成型后即可实现热致无约束滚动，无需后续加工，制作简便且重复性好。

“最令人兴奋的是，这种机器人的自主性和智能仿生行为，如在遇到障碍物时的表现。机器人的滚动稳定有力，速度和方向可以通过改变形状和尺寸来调整。”封伟表示。

当置于160℃的热台时，4D打印的矩形软体机器人会变形为螺旋管状，并自动开始滚动。调整大小可以改变机器人的滚动速度，而滚动方向则由螺旋管的曲率控制，可以轻易改变。整个驱动过程完全自动化，无需外部干预，可在无人工控制下完成任务。由于软体机器人具有一定的黏弹特性和较大的滚动驱动力，即使倾斜放置在加热板上，也能向上滚动。

可装载相当于自身重量40倍的货物

相较于在日常环境中执行精确和重复性任务，机器人在极端条件下的表现更为重要。例如，在酷热、寒冷、辐射、深水、真空等恶劣环境下执行智能和受控任务，对所有类型的机器人都是巨大挑战。与具有刚性系统的金属机器人相比，软体机器人在极端环境中的表现更为有限，特别是在高温条件下。

目前，由单一材料制成的软体机器人在迈向智能化的道路上仍面临诸多困难。

封伟团队研发的4D打印软体机器人，利用螺旋圆筒的曲率控制滚动方向的特性，使机器人具备类似昆虫触角的触觉感知能力，能够探测前方障碍物并据此作出反应。例如，当机器人穿越未知路径时，若在预定时间内完成，则说明路径无障碍；若耗时较长，则可能有轻微阻碍；若返回起点，则说明路径存在严重或完全阻塞。

此外，货物运输是无约束软体机器人的另一重要应用。“尽管机器人只能前后移动，但依然可用于点对点货物运输。”封伟介绍：“管状机器人的空心圆筒可装载线形物体。为了测试其在非线形物体情况下的运输能力，我们设计了一个小型牵引装置，整个装置能在加热板上以恒定速度移动。这表明这种软体机器人适用于在极端高温环境中执行运输任务。”

通过增加样品长度，软体机器人可显著提升运输能力。当样品长度达到米级时，管状机器人的运输能力可能提高十倍，最大装载量可达机器人重量的40倍。