研究人员正在开发用于软机器人的光响应材料

研究人员设计了一种新型 3D 打印材料，可以对光做出反应，可用于制造无需任何电子设备即可移动的机器。

这些“软机器人”或“软机器”由一种称为液晶弹性体的新材料制成，并与金纳米棒相结合。 到目前为止，研究人员已经成功地利用他们的材料打印了可以滚动的圆柱体、向前移动的“爬行者”以及暴露在激光下时会振荡的晶格结构。

研究人员表示，由此类材料制成的机器人有一天可能会被用来探索洞穴或其他人类不安全的环境。 发表于 2017 年的一项新研究描述了这种新物质 主题。

响应式印刷墨水

液晶是一种奇异的物质状态。 它们由稍微相互连接的分子组成，这些分子像液体一样自然流动，但当允许沉降时，它们会定期堆积成像固体一样的晶体排列。

液晶弹性体 (LCE) 材料的工作原理类似，即使用嵌入可拉伸弹性体网络中的液晶结构。 这种不寻常的结构可以赋予材料一些意想不到的特性。

此前，LCE 材料用于制造与热发生反应的纺织纤维。 当纤维受热时，液晶分子开始失去排列，并将弹性体网拉在一起，导致机织织物收紧。 这对于压缩服装或其他适应性服装可能有用。

现在，研究人员正在使用 LCE 材料与金纳米棒相结合来制造可响应激光而移动的 3D 打印“墨水”。 在这种情况下，LCE 材料的移动是由于称为光热驱动的过程所致。

“当你拥有这种复合材料时——在这种情况下，液晶弹性体中的这些金纳米棒——它具有光热效应。” 解释 首席研究员 凯特琳·克里科里安（厨师）是劳伦斯利弗莫尔国家实验室材料工程部门的聚合物工程师和组长。

“和 [infrared] 光，它会产生热效应，导致排列的颗粒偏转。 在这个错位的过程中，如果加热均匀，就会产生整体的形状变化。 但在这种情况下，我们可以进行局部温度变化，这就是如何使形状的局部区域发生转变以执行诸如移动之类的操作。

软体机器人新材料

使用新型 LCE 复合材料以及激光和带有摄像头和跟踪软件的计算机视觉系统，研究人员能够 3D 打印并控制圆柱体的运动。

计算机跟踪系统持续监控圆柱体的位置，根据需要调整激光束以移动圆柱体并使其以受控方式前进。

研究人员还能够打印一些更复杂的软机器，包括可以响应激光而振动的网片和一些可以向前移动的不对称“爬行器”。

该团队展示了这些机器在执行基本任务时的实用性，例如移动滚筒在移动时移动一段金属丝。

研究人员表示，这些材料可用于“软机器”或“软机器人”领域。 该机器人领域涉及由比传统金属或塑料部件更灵活、更顺从的材料制成的机器人。 例如，软机器人技术可用于医疗领域的可植入设备，这些设备可随着身体的自然运动而弯曲，或用于制造先进的假肢。

“刚性机器人可能不适合人类交互，因此我们需要更合规的系统和材料。” 他说 论文第一作者 迈克尔·福特劳伦斯利弗莫尔国家实验室高性能材料组博士后研究员。 “我们从构成机器人的组件开始，其中一个组件就是电机。这就是这些材料的用武之地；它们有潜力发挥功能。”

“它降低了计算复杂性；你正在制造一种材料，摆脱机载电子设备，并用可以完成所有这些事情的单一材料代替它。”这将允许你为另一个组件或推动功率增加更多的计算复杂性“使用传统固体材料无法实现其他传感器。”

走向独立和自觉的主体

在这种新型 LCE 材料应用于更广泛的机器人应用之前，仍然需要克服一些显着的挑战。 研究人员注意到，他们创建的一些结构往往会翻倒或以意想不到的方式移动，当他们试图执行非常具体的指令时，这使问题变得复杂。 他们说，对这些材料如何移动建立更好的计算机模拟可能有助于消除这个问题。

该团队希望新的控制系统和计算机算法将使这些软机器以更智能的方式与环境交互。

“我们都在想办法让受试者更加独立； 库克说：“它们是有意识的材料，可以感知、响应、编程、学习、决策和交流。” “这些液晶弹性体是响应性材料——它们能够感知刺激并做出反应，并且每次都会重复响应——但它们没有记忆感，也没有学习重复刺激并做出相应反应的方法。它没有除了能够与某种机械计算配对之外，还没有其他通信方式。这些确实是我们正在努力实现的材料，这可能需要五到十年的努力。

接下来，库克的团队正在寻求开发能够响应光和热以外的其他类型刺激的 LCE 材料，例如湿度变化或能量吸收。 他们还想看看这些材料在太空和其他极端环境中可能会遇到什么样的条件。

参考： 福特 MJ、Porcincola DH、Telles R 等。 光运动：印刷液晶弹性体的光响应形状塑造。 主题。 土井：10.1016/j.马特.2024.01.006

这篇文章是转述 新闻稿 劳伦斯利弗莫尔国家实验室颁发。 该材料已针对长度和内容进行了编辑。