4D打印液晶彈性體在軟體機器人領(lǐng)域的研究綜述

王子航

(西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 陜西 西安 710072)

0 引言

軟體機器人是一種不同于傳統(tǒng)剛性機器人的新型機器人,獨特的柔體結(jié)構(gòu)使其擁有更多樣的功能和更廣的應(yīng)用范圍。而液晶彈性體(liquid crystal elastomer, LCE)作為一種機械活性軟材料,其優(yōu)異的可逆形變能力和刺激響應(yīng)能力相比眾多制造機器人的傳統(tǒng)材料擁有較為明顯的優(yōu)勢。目前,人們用4D打印技術(shù)實現(xiàn)高精度、高效率的機器人制造,根據(jù)不同的需求進行定制化設(shè)計,極大契合軟體機器人的特性。開發(fā)體系完善的4D打印技術(shù),獲得更高質(zhì)量的液晶彈性體,對于軟體機器人領(lǐng)域的發(fā)展有著重要的意義和參考價值。

1 概述

4D打印技術(shù)是將3D打印技術(shù)和變形可控材料結(jié)合的新興制造技術(shù),它在原有3D打印基礎(chǔ)上增加時間維度的調(diào)控,即打印對象的形狀、特性或功能可以在外部刺激下隨著時間的推移而變化[1]。在可用4D打印的眾多刺激響應(yīng)材料中,LCE是一種機械活性軟材料,具有可編程和可逆的形狀變化[2],因為其變形大且可逆、應(yīng)變響應(yīng)快、機械性能優(yōu)異、各向異性好,被認(rèn)為是4D 打印中具有前景的材料[3]。目前實現(xiàn)智能化制造4D打印液晶彈性體的方法眾多,為機器人領(lǐng)域的發(fā)展提供了無限可能。軟體機器人作為新興發(fā)展的機器人,其相對于剛性機器人有著更優(yōu)良的形狀結(jié)構(gòu)大變形、環(huán)境適應(yīng)性和更友好的人機交互,在微小空間和限定環(huán)境進行工作等特殊應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的實用價值[4-5]。LCE因其具備獨特的液晶和彈性體的雙重性能,而成為制備軟體機器人最優(yōu)良的材料之一。LCE制成的機器人部件可受多種外部刺激以此來觸發(fā)LCE的致動,從而使機器人具有良好的智能響應(yīng)功能,使得新型智能材料和可變形結(jié)構(gòu)在軟體機器人的設(shè)計和制造中得到了廣泛的發(fā)展。

2 4D打印液晶彈性體在軟體機器人的研究進展

2.1 4D打印液晶彈性體技術(shù)的進展

與傳統(tǒng)的打印技術(shù)相比,4D打印技術(shù)能夠?qū)λ蛴〔牧系男螤詈痛笮∵M行編程。REN等[6]提出了多參數(shù)編碼4D打印彈性體的新方法,通過對LCE的變形形狀進行編程,根據(jù)實驗和模擬所得數(shù)據(jù)分析印刷速度、擠出壓力、印刷高度和紫外光強度等參數(shù)對LCE驅(qū)動性能的影響,實現(xiàn)不同的局部形狀變形行為,為構(gòu)建機器人致動器提供了設(shè)計的思路和空間。PENG等[7]開發(fā)了一種新型的混合增材制造系統(tǒng),該混合系統(tǒng)由自上而下的數(shù)字光處理器(Digital Light Processing, DLP)和帶有原位激光固化模塊的直接墨水書寫(direct ink writing, DIW)組成,激光固化DIW模塊固化LCE墨水,而DLP提供可移動的支撐結(jié)構(gòu),合理地設(shè)計了LCE油墨,并在擠壓時實現(xiàn)快速固化,從而增強驅(qū)動,減少驅(qū)動應(yīng)變,可以在增材工藝中實時打印獨立的LCE結(jié)構(gòu)。4D打印賦予液晶彈性體集成形狀可編程和性能可調(diào)控的特性,為傳感器和執(zhí)行器的改進提供了新的方向和指導(dǎo)。將4D打印技術(shù)應(yīng)用于軟體機器人的設(shè)計與制造中,可以突破現(xiàn)有軟體機器人驅(qū)動材料和支撐材料難以結(jié)合的設(shè)計技術(shù)瓶頸,使其結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化。

2.2 不同響應(yīng)驅(qū)動的4D打印液晶彈性體軟體機器人

4D打印技術(shù)制造軟體機器人能夠顯著提高生產(chǎn)效率和制造靈活性。根據(jù)刺激響應(yīng)方法的不同,4D打印液晶彈性體軟體機器人可應(yīng)用于不同領(lǐng)域。ROG等[8]使用了連續(xù)液晶彈性體致動器的光熱感應(yīng)響應(yīng),將空間和時間調(diào)制激光束引起的軟彈性體變形與合成黏液的黏性能力相結(jié)合,通過4D打印制造出基于光源驅(qū)動的毫米級蝸牛機器人,展示了不同爬行步態(tài),提供了一種光致動下設(shè)計運動變形軟體機器人的有效手段。ZHAI等[9]開發(fā)了一種基于光控制響應(yīng)LCE的軟體機器人,驗證了溫度梯度和曲率是機器人均勻穩(wěn)定滾動的2個必要條件。該機器人使用較高的溫度參數(shù)進行DIW技術(shù)4D打印,無需任何其他處理程序便能具有熱衍生的無約束滾動能。該管狀機器人的整個驅(qū)動過程是自動的,無需改變環(huán)境因素,完全能在脫離人工控制的情況下完成任務(wù)。研究表明這類軟體機器人可以根據(jù)障礙物的高度超越或改變方向,意味著利用4D打印可以方便地開發(fā)具有觸覺感知的人工智能機器人。其可應(yīng)用于貨物運輸和極端高溫環(huán)境的智能探索。在另一項研究中[10],研究人員利用直徑0.25 mm左右的細(xì)小針頭進行墨水直寫打印,獲得液晶介晶取向度高達0.46的打印樣品。單層單向打印的液晶彈性體在打印方向可以實現(xiàn)44. 6%的熱致收縮,同時在垂直于打印方向會熱致膨脹,導(dǎo)致樣品變厚變粗。而雙層打印的樣品在受熱時讓液晶彈性體的整體形變不再局限于平面內(nèi),開始實現(xiàn)多維度的變形。通過設(shè)計打印路徑,對打印結(jié)構(gòu)進行編程,在實現(xiàn)熱致變形之外更進一步地實現(xiàn)了無限制熱致運動。完善了軟體機器人的自主性和靈活形變性。

通過4D打印LCE制備的軟體機器人具有了自感應(yīng)和環(huán)境適應(yīng)性等功能,其自組裝和能夠通過外界刺激驅(qū)動的優(yōu)勢讓軟體機器人能夠在不同工作環(huán)境下做出靈敏反應(yīng)并靈活行動。近年來,4D打印技術(shù)不斷優(yōu)化和改善,也為LCE軟體機器人的設(shè)計和編程提供了靈活的思路。由此可見,4D打印LCE在軟體機器人領(lǐng)域的發(fā)展空間十分廣闊。

3 液晶彈性體在機器人中的應(yīng)用

液晶彈性體是用液晶分子的凝聚作為物理交聯(lián)的新型熱塑性彈性體,是一種新興的柔性致動材料。當(dāng)加熱到各向異性至各向同性轉(zhuǎn)變溫度(TNI)以上時,其預(yù)對準(zhǔn)的介元出現(xiàn)重新定向,并使LCE具有大的各向異性變形,且提供可逆驅(qū)動[11]。這極大契合了軟體機器人在工作時所需的靈活性和適應(yīng)性,使其有著廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)打印技術(shù)的不同,其所制備的LCE性能和應(yīng)用也不同。WANG等[12]開發(fā)了一種可打印的光響應(yīng)金納米棒(AuNR)/LCE復(fù)合墨水,通過調(diào)整DIW打印技術(shù)的油墨配方和打印參數(shù),允許AuNR在0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的濃度下對打印的LCE細(xì)絲進行光熱驅(qū)動,并將該技術(shù)運用在一種新型的光驅(qū)動軟體機器人中,實現(xiàn)了機器人在局部光致動下的爬坡。SONG[13]等將DIW打印LCE的技術(shù)參數(shù)進一步優(yōu)化,在原有基礎(chǔ)上添加具有傾斜角度的優(yōu)化魚鱗狀微觀結(jié)構(gòu),構(gòu)建了尺蠖式爬行軟體機器人,充分利用液晶彈性體的各向異性使其爬行時具有良好的摩擦力,證明了仿生尺蠖機器人的通用性。由此可見,液晶彈性體所制成的柔性驅(qū)動器為機器人進行復(fù)雜靈活的運動提供了良好的解決方案。

為了進一步拓寬液晶彈性體在軟體機器人中的適用范圍,在基于傳統(tǒng)液晶彈性體的制動器制備方法上,高性能液晶彈性體通過摻入其他材料進行改性,改善了傳統(tǒng)液晶彈性體難以制備的缺點和一次性使用難以回收的劣勢,讓液晶彈性體更加多功能化,并且在可控調(diào)節(jié)柔性制動器方面得到了廣泛應(yīng)用。LEE等[14]將具有三乙二醇間隔物(TUEG)的二胺官能化的聚醚硫脲作為交聯(lián)劑摻入LCE中,一方面促進了氫鍵的形成,強化了系統(tǒng)的熱驅(qū)動性,軟體機器人在熱驅(qū)動下能夠具有穩(wěn)定的工作性能,可舉起重量為其自重660倍的物體,另一方面利用硫脲鍵可離解的特性實現(xiàn)了材料的回收和處理,并用LCE-TUEG膜焊接構(gòu)建了一種具有嵌入式電阻絲的電驅(qū)動仿真假手,通過焦耳加熱的選擇性致動,成功地模仿了各種手勢。TANG[15]等使用2-甲基-1,4-亞苯基雙(4-(3(丙烯酰氧基)丙氧基)苯甲酸酯)(RM257)作為可交聯(lián)的LC基質(zhì),并添加非反應(yīng)性(4′-戊基-4-聯(lián)苯腈)(5CB)作為LC溶劑以調(diào)節(jié)印刷黏度,將功能性納米填料并入LCE基質(zhì),使用DLP技術(shù)制備了具有濕度響應(yīng)能力的各向異性結(jié)構(gòu),從而達到優(yōu)良的吸濕驅(qū)動和定向變形能力。HUANG等[16]將四苯基乙烯(TPE)和螺吡喃(SP)部分作為可以調(diào)節(jié)的熒光基團摻入LCE基質(zhì)中,制造了一種智能軟致動器。在UV和可見光的連續(xù)照射下,制備出來的光致變色發(fā)光和復(fù)雜光變形能力的仿生器件應(yīng)用廣泛,并且可以極大程度上模擬生物爬行和變色發(fā)光的行為。此外,動態(tài)共價化學(xué)鍵的存在讓LCE致動器成為一個具有卓越的自修復(fù)、重編程、重塑和回收能力的系統(tǒng),拓展了機器人的多功能性。

綜上所述,打印液晶彈性體已在機器人的制備和性能優(yōu)化方面得到了廣泛的使用。但由于打印設(shè)備的技術(shù)缺陷無法制造出具有刺激響應(yīng)性的智能材料,且在已有打印技術(shù)的參數(shù)設(shè)置下,制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)和靈活的機器人較為困難,以上的傳統(tǒng)打印技術(shù),極大限制了軟體機器人在狹小空間和極端環(huán)境下的應(yīng)用[17]。

4 總結(jié)與展望

本文主要介紹了液晶彈性體這一智能響應(yīng)軟材料的發(fā)展,簡要概括了傳統(tǒng)打印技術(shù)和4D打印技術(shù)LCE所制備的軟體機器人在不同領(lǐng)域和不同環(huán)境下的應(yīng)用,及其已經(jīng)實現(xiàn)的對外界刺激進行響應(yīng)和自組裝的特性。目前,有關(guān)4D打印LCE的軟體機器人已經(jīng)取得了許多成果,但是在打印材料的性能增強和打印技術(shù)的優(yōu)化方面仍需改進。特別體現(xiàn)在不同環(huán)境中使用的軟體機器人制備需要使用不同性能的材料,而由于現(xiàn)有材料可打印性的限制暫時無法實現(xiàn),打印設(shè)備和智能材料的墨水都亟需深度開發(fā),種種因素限制了4D打印LCE技術(shù)的發(fā)展。此外,現(xiàn)有4D打印LCE軟體機器人僅能實現(xiàn)簡單的刺激響應(yīng),暫時無法投入使用于運輸行業(yè)、未知探索等實際運用中。因此,優(yōu)化和開發(fā)不同4D打印技術(shù)、制備更多高性能液晶彈性體,對LCE軟體機器人豐富其智能驅(qū)動性、實現(xiàn)更有效的人機交互、運用于不同的工作環(huán)境都有著重大的意義。