隨著人工智能技術的進步，智能機器人產業如雨后春筍般蓬勃發展。事實上，“機器人”這個詞最早出現在1921年KarelCapek寫的一部科幻劇里。
目前，大多數機器人，無論大小，通常都是通過一系列復雜的制造步驟來制造的，這些步驟集成了肢體、電子設備和有源組件。與使用獨立部件提供不同功能的建筑機器人相比，使用多功能超材料建造的機器人具有一定的優勢。超材料是一種由重復圖案組成的合成結構，旨在展現理想的宏觀特性。
與塊體材料不同，超材料的行為受其工程結構的限制，而不是受其材料成分的驅動。3D打印等增材制造技術加速了復雜超材料的制造，尺寸越來越小，功能前所未有。傳統上，制造機器人依賴于組裝分立的致動器、傳感器、微處理器和電源。機器人超材料通過設想超材料周期結構中的自主性來挑戰這一模型。
歷史上，對超材料的研究主要集中在光學應用上，例如具有超出普通透鏡和鏡子能力的可調光學特性的超材料。然而，近年來，研究人員越來越多地轉向在其他領域采用這一設計原則。例如，可以在不使用傳動齒輪的情況下將直線運動轉換為旋轉的機械超材料，或者可以根據需要調整剛度或變形等體積特性的嵌入式機器人群體。創建機器人超材料的另一種方法是在結構中體現“機器人任務”。例如，人們可以設計一種超材料，其變形可以由電信號控制。
鑒于此，《科學》雜志在線發表了加州大學洛杉磯分校鄭曉宇教授的新成果。該團隊開發了一種新的設計策略和3D打印技術，可以一步到位地制造機器人。第一作者是崔華辰。
具體來說，作者開發了一種合理的壓電超材料設計方法，它由被動相、壓電主動相和導電相組成，可以執行一些機器人任務(圖1)。所需的變形模式，如扭曲，大致是通過結構的離散平面的一些運動。
反過來，這些平面的允許運動將告訴結構相、致動器和電極如何在壓電超材料中組織以產生目標運動。在經典彈性理論中，彈性材料的變形表現為拉伸、壓縮和剪切。在本文中，作者應用微極彈性，將旋轉與平移結合起來，對經典彈性進行拓展。該方法可以更全面地評估壓電超材料因宏觀膨脹、剪切、扭轉和彎曲引起的微觀結構、極化和外加電場。
圖1。示意圖
[實驗設計]
[機器人超材料的添加制造]
[多自由度放大和程序應變]
由添加劑制成的機器人超材料可以利用電場到機械應變的雙向轉換來產生運動和感知。逆壓電效應賦予機器人驅動能力，正壓電效應和雙向壓電效應分別通過本體感受(自我監測)和外部感知(接觸檢測和遙感)實現反饋控制。超材料的拓撲結構允許電極直接放置在壓電有源柱上，從而產生更強的電場，放大驅動應變。
同時，作者巧妙地將驅動和感知交織成一個輕量級的微型復合3D網格，可以四處移動，感知周圍環境。然后，通過設計車載控制系統和電源，作者向無拘無束的實施邁出了一步。雖然這種系統級的集成并不多見，但卻能充分挖掘現實場景中快速發展的機器人材料的全部潛力，找出它們的不足。
考慮到這里討論的移動壓電超材料，壓電有源元件的布線仍然是增強其通用性的限制因素，而功率分配和分散控制仍然是需要克服的障礙。盡管存在這些限制，但作者證明了當移動性和不受約束的自主性不是必需的時，壓電結構可以用作具有六個自由度的緊湊型3D打印操縱器，即，它可以沿所有三個軸平移，并繞所有三個軸旋轉。