吉林大學AM：4D打印高機動性機器人-刺激響應材料的可控功率放大行為

高機動性的機器人能夠跨越障礙物或快速移動， 利用奔跑、跳躍、彈射或多多運動模態組合，在航空航天、農業、醫療等領域展現出優勢。由于高能爆發的行為和運動中的巨大振動，這些機器人需要簡單且可靠。4D打印高機動性的機器人通過結合刺激響應材料的功率放大和增材制造技術來應對這一挑戰。它將執行、感應和控制模塊集成為一個組件，結構高度集成，運動可控且具備高機動性。本文將綜述基于4D打印高機動性機器人，重點關注從設計到制造的關鍵技術。首先，概述了4D打印高機動性機器人的制造工藝。然后，從仿生學的角度，復習功率放大的結構設計。在總結適用于4D打印高機動性機器人的刺激-響應材料后，詳細闡述了控制機器人運動方向、速度、模式和響應時間的策略。最后，重點介紹了當前面臨的挑戰以及對高度機動性機器人4D打印的展望。

高機動性機器人（Maneuverable Robots）可以實現奔跑、跳躍、彈射或多模式組合運動，能夠快速穿越復雜環境，具有廣泛的應用前景。然而，這類機器人在運動過程中涉及速度或方向的突然變化，需要承受高能量爆發和強大驅動力，復雜的結構和高重量會加劇這種影響。因此，需要簡單、輕量化的結構來提高機器人的可靠性。通過結合4D打印技術和生物功率放大機制，可以將機器人的驅動、傳感與控制模塊高度集成于單一部件中并突破傳統4D打印結構驅動速度和力的限制，形成功能、結構高度一體化的可控高機動性系統，有效應對了這一挑戰。

綜述涉及多種刺激響應材料，包括形狀記憶合金（SMA）、形狀記憶聚合物（SMP）、液晶彈性體（LCE）、水凝膠以及軟磁彈性體等。通過光固化、熔融沉積、直寫成型等增材工藝，將材料編程為具有刺激響應特性的4D打印結構。借鑒生物力學中的功率放大機制（如捕蠅草的快速閉合、跳蚤的跳躍），總結了現有的雙穩態、閂鎖和無閂鎖這三類功率放大結構，通過熱、光、磁等外部刺激觸發機器人的高速運動。例如，利用SMA的雙穩態薄殼結構，在加熱后發生快速形態切換，驅動機器人跳躍至數十厘米高度。利用刺激響應材料的可控功率放大行為，使得4D打印機器人突破驅動力和驅動速度的限制，完成跳躍、彈射等高機動性動作。可用于子衛星分離、體內醫療或播種等領域。

圖1. 4D打印高機動性機器人技術原理

圖2. 常見的增材制造技術原理

圖3. 基于自動化增材制造的4D打印高機動性機器人

圖4. 基于手工逐層粘接的4D打印高機動性機器人

圖5. 4D打印驅動結構

圖6. 生物學中的功率放大機制

圖7. 三種功率放大機器人結構的跳躍過程

圖8. 雙穩態4D打印高機動性機器人的設計參數

圖9. 基于雙穩態結構的4D打印高機動性機器人

圖10. 閂鎖結構4D打印高機動性機器人的簡化模型和能量轉換過程

圖11. 基于閂鎖結構的4D打印高機動性機器人

圖12. 基于無鎖結構的4D打印高機動性機器人

圖13. 4D打印SMA高機動性機器人

圖14. 4D打印SMP高機動性機器人

圖15. 4D打印LCE高機動性機器人

圖16. 4D打印水凝膠高機動性機器人

圖17. 4D打印高機動性機器人的控制策略

圖18. 機器人運動模式的控制策略

圖19. 機器人運動方向的控制策略

圖20. 機器人能量釋放強度的控制策略

圖21. 4D打印高機動性機器人未來展望

圖22. 4D打印高機動機器人未來應用展望