吉林大学AM：4D打印高机动性机器人-刺激响应材料的可控功率放大行为

高机动性的机器人能够跨越障碍物或快速移动， 利用奔跑、跳跃、弹射或多多运动模态组合，在航空航天、农业、医疗等领域展现出优势。由于高能爆发的行为和运动中的巨大振动，这些机器人需要简单且可靠。4D打印高机动性的机器人通过结合刺激响应材料的功率放大和增材制造技术来应对这一挑战。它将执行、感应和控制模块集成为一个组件，结构高度集成，运动可控且具备高机动性。本文将综述基于4D打印高机动性机器人，重点关注从设计到制造的关键技术。首先，概述了4D打印高机动性机器人的制造工艺。然后，从仿生学的角度，复习功率放大的结构设计。在总结适用于4D打印高机动性机器人的刺激-响应材料后，详细阐述了控制机器人运动方向、速度、模式和响应时间的策略。最后，重点介绍了当前面临的挑战以及对高度机动性机器人4D打印的展望。

高机动性机器人（Maneuverable Robots）可以实现奔跑、跳跃、弹射或多模式组合运动，能够快速穿越复杂环境，具有广泛的应用前景。然而，这类机器人在运动过程中涉及速度或方向的突然变化，需要承受高能量爆发和强大驱动力，复杂的结构和高重量会加剧这种影响。因此，需要简单、轻量化的结构来提高机器人的可靠性。通过结合4D打印技术和生物功率放大机制，可以将机器人的驱动、传感与控制模块高度集成于单一部件中并突破传统4D打印结构驱动速度和力的限制，形成功能、结构高度一体化的可控高机动性系统，有效应对了这一挑战。

综述涉及多种刺激响应材料，包括形状记忆合金（SMA）、形状记忆聚合物（SMP）、液晶弹性体（LCE）、水凝胶以及软磁弹性体等。通过光固化、熔融沉积、直写成型等增材工艺，将材料编程为具有刺激响应特性的4D打印结构。借鉴生物力学中的功率放大机制（如捕蝇草的快速闭合、跳蚤的跳跃），总结了现有的双稳态、闩锁和无闩锁这三类功率放大结构，通过热、光、磁等外部刺激触发机器人的高速运动。例如，利用SMA的双稳态薄壳结构，在加热后发生快速形态切换，驱动机器人跳跃至数十厘米高度。利用刺激响应材料的可控功率放大行为，使得4D打印机器人突破驱动力和驱动速度的限制，完成跳跃、弹射等高机动性动作。可用于子卫星分离、体内医疗或播种等领域。

图1. 4D打印高机动性机器人技术原理

图2. 常见的增材制造技术原理

图3. 基于自动化增材制造的4D打印高机动性机器人

图4. 基于手工逐层粘接的4D打印高机动性机器人

图5. 4D打印驱动结构

图6. 生物学中的功率放大机制

图7. 三种功率放大机器人结构的跳跃过程

图8. 双稳态4D打印高机动性机器人的设计参数

图9. 基于双稳态结构的4D打印高机动性机器人

图10. 闩锁结构4D打印高机动性机器人的简化模型和能量转换过程

图11. 基于闩锁结构的4D打印高机动性机器人

图12. 基于无锁结构的4D打印高机动性机器人

图13. 4D打印SMA高机动性机器人

图14. 4D打印SMP高机动性机器人

图15. 4D打印LCE高机动性机器人

图16. 4D打印水凝胶高机动性机器人

图17. 4D打印高机动性机器人的控制策略

图18. 机器人运动模式的控制策略

图19. 机器人运动方向的控制策略

图20. 机器人能量释放强度的控制策略

图21. 4D打印高机动性机器人未来展望

图22. 4D打印高机动机器人未来应用展望