6月17日消息，加州大学洛杉矶分校的一组工程师及其同事开发了一种新的设计策略和 3D 打印技术，可以一步构建机器人。

由 UCLA 工程师开发的 3D 打印“元机器人”能够进行推进、移动、传感和决策。图片来源：Rayne Research Group/UCLA

一项概述了这一进展的研究，以及各种能够行走、机动和跳跃的微型机器人的构造和演示，发表在《科学》杂志上。

这一突破使得操作机器人所需的整个机械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，用于具有多种功能的工程活性材料（也称为超材料）。一旦 3D 打印出来，“元机器人”将能够进行推进、移动、传感和决策。

印刷的超材料由感觉、移动和结构元素组成的内部网络组成，并且可以按照程序命令自行移动。由于移动和传感的内部网络已经到位，唯一需要的外部组件是为机器人供电的小电池。

“我们设想，这种智能机器人材料的设计和打印方法将有助于实现一类自主材料，可以取代目前制造机器人的复杂组装过程，复杂的运动、多种传感模式和可编程的决策能力都紧密结合在一起，它类似于神经、骨骼和肌腱协同工作以执行受控运动的生物系统。”该研究的首席研究员、该研究的副教授郑晓宇（Rayne）说，教授的专业包括加州大学洛杉矶分校 Samueli 工程学院的土木和环境工程，以及机械和航空航天工程。

该团队展示了与板载电池和控制器的集成，以实现 3D 打印机器人的完全自主操作——每个机器人都有指甲那么大。据同时也是加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所成员的郑说，该方法可能会导致生物医学机器人的新设计，例如自转向内窥镜或微型游泳机器人，它们可以发射超声波并在血管附近导航在体内的特定目标部位输送药物剂量。

这些“元机器人”还可以探索危险环境。例如，在一栋倒塌的建筑物中，一群配备集成传感部件的微型机器人可以快速进入密闭空间，评估威胁级别并通过寻找被困在瓦砾中的人来帮助救援工作。

复杂的压电和结构元件设计用于高速弯曲、弯曲、扭曲、旋转、膨胀或收缩。图片来源：Rayne Research Group/UCLA

大多数机器人，无论其大小如何，通常都是通过一系列复杂的制造步骤构建的，这些步骤集成了肢体、电子和有源组件。与使用这种新方法制造的机器人相比，该过程导致更重的重量、更大的体积和更少的力输出。

加州大学洛杉矶分校领导的一体化方法的关键是压电超材料的设计和印刷——一种复杂的晶格材料，可以响应电场改变形状和移动，或者由于物理作用而产生电荷。军队。

使用可以将电能转化为运动的活性材料并不是什么新鲜事。然而，这些材料通常在其运动范围和行进距离方面存在限制。它们还需要连接到类似变速箱的传动系统，以实现所需的运动。

相比之下，加州大学洛杉矶分校开发的机器人材料——每个只有一分钱大小——由复杂的压电和结构元件组成，这些元件设计用于高速弯曲、弯曲、扭曲、旋转、膨胀或收缩。

该团队还提出了一种设计这些机器人材料的方法，以便用户可以制作自己的模型并将材料直接打印到机器人中。

该研究的主要作者、加州大学洛杉矶分校郑氏增材制造和超材料实验室的博士后崔华臣说：“这使得驱动元件可以精确地布置在整个机器人中，以在各种地形上进行快速、复杂和扩展的运动。借助双向压电效应，机器人材料还可以自我感知它们的扭曲，通过回声和超声波发射检测障碍物，并通过反馈控制回路对外部刺激做出反应，该反馈控制回路决定机器人如何移动，它们的移动速度有多快移动以及他们向哪个目标移动。”

使用该技术，该团队构建并演示了三个具有不同功能的“元机器人”。一个机器人可以绕 S 形拐角和随机放置的障碍物导航，另一个机器人可以在接触撞击时逃脱，而第三个机器人可以在崎岖的地形上行走，甚至可以进行小跳跃。

该研究的其他加州大学洛杉矶分校作者是研究生姚德胜、Ryan Hensleigh、徐振鹏和陆昊天；博士后学者阿里尔·卡尔德隆；开发工程助理王震。其他作者是弗吉尼亚理工大学的研究助理 Sheyda Davaria；Patrick Mercier，加州大学圣地亚哥分校电气和计算机工程副教授；以及德克萨斯 A&M 大学机械工程教授 Pablo Tarazaga。

这一进步结合了之前由郑和亨斯利开发的 3D 打印技术，他们都是拥有专利的弗吉尼亚理工大学的研究人员。研究人员计划通过加州大学洛杉矶分校技术开发小组为加州大学洛杉矶分校开发的新方法申请一项额外专利。