这些 3D 打印的 Millirobots 可以感知周围环境并做出反应

Millirobot 看起来像一辆可爱的卡通车，它熟练地在复杂的迷宫中导航。 这是一种奇怪的生物：底部像倒塌的栅栏； 顶部，一个漏勺状的篮子。 一分钱的大小，看起来很脆弱，完全不张扬。

但其核心是构建能够感知和响应当地环境的自主机器人的潜在范式转变。 与由多个组件组装的经典机器人不同，millirobot 是 3D打印 具有乳白色的超材料，可以通过几次电击灵活地改变其特性。

超材料听起来像是漫画书中的东西，但概念很简单。 与我们容易依赖的木材、玻璃或其他静态材料来保持其结构不同，研究中使用的超材料——压电材料——在受到电磁场冲击时很容易改变它们的结构。 这允许材料扭曲、扭曲、收缩或膨胀。 绘制出每个动作，并且可以构建和引导机器人。

为了构建机器人，团队 设计 使用压电材料打印出机器人结构的 3D 打印装置。 作为额外的附加组件，该团队为机器人提供了超声波发光，将组件嵌入材料中，这有助于机器人将振动转化为电能以感知周围环境。

微型机器人学会了实时自主行走、跳跃和逃离潜在障碍。 他们甚至可以在实验室里进行一次小型海滩徒步旅行，轻松穿越部分被绿色植物覆盖的崎岖多沙地形。

这些机器人虽然还很初级，但如果缩小，有朝一日可以帮助在我们身体的密闭空间内运送药物。 他们也可以充当廉价、微小但强大的侦察兵，探索新的或危险的环境。

致南丹麦大学软机器人中心的 Ahmad Rafsanjani 博士， 谁没有参与 在这项研究中，millibots 将超材料作为一种构建自主机器人的新方法而成为人们关注的焦点。 他在一篇相关评论中写道，这项研究“突出了‘机器人材料’的更广阔视野，其中材料和机器之间的界限变得难以辨认”。 “压电超材料的增材制造可能会实现完全集成的机器人，这些机器人最终可能会直接从 3D 打印机中走出来。”

元什么？

超材料很奇怪。 但由于它们的奇异特性，科学家们很容易探索这些奇怪鸭子的潜在用途。 一个经典的例子是光学。 超材料通常由与电磁波（包括光）灵活相互作用的组件制成。 在某种程度上，它们类似于相机镜头或镜子，但具有快速改变它们引导每一个光波的方式的超能力。 从理论上讲，由超材料精心打造的结构可以彻底改造所有类型的眼镜——从显微镜镜片到我们脸上的镜片。

最近，科学家们开始探索其他用途。 一项主要工作是将压电材料整合到神经形态芯片中，该芯片大致模拟了大脑如何计算和存储信息。 通过用电场改变这些材料的特性，科学家们可以估计突触是如何在超低能量下工作的。 其他研究 利用超材料变形其形状的杂技能力，创建将线性运动（例如螃蟹行走）转换为旋转和机械齿轮的结构。 就好像你的腿突然变成了旋转的轮子。

是的，超材料很奇怪。 它们是如何工作的？

将它们想象成 带天线的老式盒装电视. 要调整通道（即材料的行为），您可以移动天线，直到它们的结构与无线电波发生强烈相互作用，然后消失á，您已经确定了材料的状态。 然后可以将其与传统材料混合以构建复杂的格子状结构，同时保留其变态特性。 这种灵活性使它们成为设计机器人的特别有趣的画布。 因为它们是一个近乎单一的结构，从长远来看，它们可以帮助构建智能 假肢 不易发生故障，因为它们没有机械运动部件。 它们现在可以进行 3D 打印，而不是焊接。 （这给了我所有 西部世界 vibes-机械多洛雷斯与乳白色液体印刷版，有人吗？）。

奇怪的事情

新的微型机器人看起来像是 Wall-E 和 TARS 的混合体，一个脊状、折叠、筷子式的机器人 星际. 完全 3D 打印，他们打破了建造机器人的传统教条。 通常，机器人需要几个独立的组件：用于导航环境的传感器、用于“大脑”的微处理器、用于运动的执行器以及驱动整个系统的电源。 每个环节都容易出现故障。

在这里，团队将每个组件集成到一个设计中。 第一个关键成分是压电材料，它将电场转化为机械张力，反之亦然。 它们是指导机器人运动的“肌肉”。 但他们有三重职责。 根据超材料的状态，它可以形成类似陶瓷的骨架，帮助微型机器人保持其形状。 在其传导阶段，它就像神经细胞一样，捕捉电磁信号来控制“肌肉”。 进一步提升机器人能力的是一个超声波元件，它融合在机器人上，帮助它感知周围环境。

总而言之，简单的微型机器人本质上将多个系统混合成一个耀眼的白色粘性物质：一个能够感知和驱动的神经系统、一个“肌肉”组件和一个骨骼结构。 该团队将粘性物质放入 3D 打印机中，构建了复杂的格子作为机器人的骨干，每个格子都用导电金属和压电特性精心装饰到特定区域。

结果？ 一个微型机器人，可以利用电场来感知和导航其环境。 更令人印象深刻的是它能够“理解”自己的身体运动和在空间中的位置——一种叫做本体感觉的技巧 这被称为 人类感知的“第六感”，很少在机器人中实现。

带着一些挑战，作者接下来展示了机器人的实力。 当人类根据超声波反馈依次放下障碍物时，一个机器人熟练地实时绕过路障。 在另一项测试中，机器人跳了很远的距离，并熟练地驾驭了急转弯。 只需几毫秒的延迟，机器蛙就可以毫不费力地跳过几个粗糙的表面——这是一项以前让其他机器人感到困惑的运动任务。

微型机器人也制造了很棒的骡子。 即使负载有 500% 的重量（例如板载电源、驱动器和微控制器），它们也能够轻松移动，速度仅下降 20%。 在实践中，超级大国使这些机器人成为伟大的支架，作为药物输送机器，有朝一日可能会在我们的血液中漫游。

一条路

一块压电材料可以非常灵活，具有六个自由度——能够在三个轴上线性延伸（比如向前、向侧面和向后弯曲你的手臂）和旋转扭曲。 由于这项研究的增材制造，在创造性算法的指导下设计不同的机器人架构很容易。

该团队“将驱动和感知巧妙地交织在一个轻量级的微型模型中

可以四处移动并感知周围环境的复合 3D 晶格，”Rafsanjani 说。

机器人可能会成为一个不协调的难题：一种灵活的生物，由坚硬的陶瓷骨架和一种超材料制成。 但我们人类也是如此——我们是由形状、大小和功能截然不同的细胞组成的。 采用用于设计压电机器人的想法为软机器人带来了新的前景，可能会导致完全人造的材料与我们的身体一起摇摆。

Rafsanjani 说，这项研究“使机器人超材料更接近生物系统，一次一个功能”。

图片来源：Rayne Research Group

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• 来源：https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/