4D打印仿生触觉应变软体机器人 自主驱动翻越障碍 可深入极端环境探测运输

近年来，一类充满科技魅力的软体机器人成为了科学家们瞩目的焦点。它们采用软体驱动材料设计，能够灵活改变身体形状，以适应各种非结构化环境。这些机器人仿佛是从自然界汲取灵感，模仿蚯蚓、章鱼、水母等无骨骼动物的特性，在深海探索、灾害救援、战地现场等难以抵达的区域展现出无限潜力。

传统的手工装配制造方式限制了软体机器人的发展。幸运的是，随着3D打印技术的不断进步，科学家们开始尝试使用这一技术来制造软体机器人。天津大学的封伟团队更是走在了前沿，他们首创性地使用4D打印技术，为软体机器人赋予了自主驱动和响应刺激的能力。

4D打印，作为一种增材制造技术，能够自动将设计思想转化为现实。与传统3D打印相比，4D打印更进一步，它能够加工智能材料，赋予机器更高的制造灵活性和生命力。封伟团队通过精确加工液晶弹性体等智能材料，成功制造出具有感知能力和适应性的智能软体机器人。

这些机器人在制造过程中面临了诸多挑战。最大的难点在于材料和设备的契合度。封伟团队不仅需要在材料领域深耕，还要跨领域组装设备，确保材料与设备的高度契合以获得最佳的打印属性。

最新一期Cell出版社旗下顶尖期刊Matter发表的研究成果展示了封伟团队的卓越成就。他们通过4D打印技术，一步获得具有感知能力和适应性的智能软体机器人。这些机器人在加热到一定温度时，可以自主变形，实现“无绳”自动滚动。与传统需要“系绳”连接到电源的软体机器人相比，这一创新实现了无需外力的自主驱动。

演示中，这个小巧的软体机器人在水平面上的行动速度令人印象深刻。更令人惊叹的是，它的速度可以通过改变尺寸进行调整。这一创新为软体机器人在复杂环境中的灵活应用提供了广阔的可能性。

除了液晶弹性体，现有的4D打印智能材料还包括形状记忆聚合物和水凝胶。这些材料在应用上存在一定的局限性。封伟团队的研究突破了这些局限，为软体机器人的制造注入了新的活力。

封伟团队还赋予了这些机器人仿生物感知能力。它们在自主行动的能够感知并应对各种触觉刺激。这一成果让人工智能在思维、感知与行动方面的能力得到了进一步提升。

封伟团队的创新成果为软体机器人的发展开辟了新的道路。他们的研究不仅提高了生产效率和制造灵活性，还为软体机器人在各个领域的应用提供了更广阔的可能性。这一领域的未来发展令人充满期待。目前，软体机器人领域尤其是单一材料构成的软体机器人距离全面实现人工智能仍有显著的差距。封伟团队通过运用智能材料，成功开发出一种具有行为学智能性的软体机器人。

这种软体机器人以其独特的螺旋筒状身躯作为核心设计，通过控制曲率方向来实现滚动方向的调整。这一设计赋予了机器人类似昆虫触角的触觉感知能力，使其能够灵敏地探测到前方的道路障碍物，并自主做出翻越或折返等响应行为。

除此之外，该软体机器人的螺旋管设计还巧妙地融合了货物装载的功能。中空部位为货物运输提供了空间，并且这款机器人能够承受相当于自身重量40倍的负载。更令人惊喜的是，它在高温环境下同样具备货物运输和智能探测的能力。

封伟强调：“我们的目标是通过4D打印技术，开发出具备感知能力和适应性的智能软体机器人，而不仅仅是只会变形的致动器。”

触觉传感器技术被列为《科技日报》提出的35项关键核心技术之一。封伟团队正深入研究智能触觉感知材料及相关应用，致力于模仿人类皮肤，以定量的方式表达温度、湿度、力度等感知，进一步赋予机器人感知能力。

封伟教授表示：“当前大多数研究主要集中在基于弯曲变形的致动器，这仅仅是智能驱动能力的初步体现。我们期望未来的软体机器人能拥有更丰富的智能驱动能力，能够模仿更多动物或人的行为。”

本文的作者是天津大学材料学院的博士研究生翟飞，而封伟教授则担任本文的通讯作者。封伟教授及其团队在智能材料领域展开了一系列富有创新性的研究工作。该团队主要致力于功能性高分子新材料和有机光电器件以及纳米复合材料的研究，特别是光、电响应高分子新材料领域。团队主攻偶氮分子基光响应材料、聚合物基应力应变传感以及热传感材料的研究。他们的研究工作主要得到国家自然科学基金的重点项目、面上项目以及科技部97.3项目的支持。他们还在开展基础理论及应用开发研究。封伟教授对于国内领域的现状表示：“中国的4D打印研究尚处于起步阶段，无论是设备还是材料都需要深度开发。”他认为这是一个值得大力投入的高精尖领域，但跨行业的深度合作是必不可少的。