4D打印在机器人技术中的应用

4D打印与机器人技术

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4D打印与机器人技术

如果回溯十年前机器人专家如何制作几乎所有机器人机构，以及我们当时主要受限于铣床、钻孔机、车床和通过互联网订购零部件的情况，三维（3D）打印技术对机器人技术领域带来的巨大影响便显而易见。这种“新兴”的制造工艺（历经三十多年才得以实现）已变得如此普及，以至于我们常常担心年轻的机械工程师不再精通许多我们认为是基础的制造技能。随着3D打印持续渗透社会，甚至进入超市，这项技术的下一阶段已逐渐显现。通过将新型材料（如形状记忆材料（SMMs））引入3D打印，并结合自组织概念（如折纸机器人），这项技术有望形成一种新范式。这通常被称为“4D打印”，该术语归功于斯凯拉·蒂比特在其2013年TED演讲（www.youtube.com/watch?v=0gMCZFHv9v8）中提出，他用此描述具有内嵌时空变换能力的3D打印结构。如今，我们开始看到越来越多关于此类结构的报道，它们在打印完成后能够发生形态变化。该领域正在迅速兴起，许多新型设备正在被提出。

与机器人技术的许多领域一样，4D打印最初也以材料为重点（1）。虽然能够打印出3D结构并使其自动转变为新形状的过程可明确归类为4D打印，但我们并不一定必须从3D结构开始。如果我们打印的是2D结构，随后发生平面外的构型变化，这也属于4D打印结构，正如近期报道的2D水凝胶形态变化结构（2，3）和2D自折叠弹性体（4）所示。我们还可以将打印的折纸机器人归类为4D打印机器人技术的一个子集（5）。更广泛地说，4D打印机器人是刺激响应的3D结构，无论它们的变形前状态是2D打印还是3D打印则无关紧要。4D打印机器人主要有两种方法：一种是通过2D打印智能材料与常规材料的组合以实现各向异性应力；另一种是通过3D打印形状记忆材料。目前的研究主要集中在4D打印具有驱动功能的智能机器人部件。

4D打印双向致动器

形状记忆材料（SMMs）是工程化下一代智能机器人4D打印驱动器的关键材料。

根据其形态转变特性，SMMs可分为两类：单向和双向。单向SMM可被编程成特定形状，在受到外部刺激（如温度）时发生形状变化，且刺激去除后该形状保持不变。相反，双向SMM可通过切换刺激在两种不同形状之间可逆变形，本质上是一种复杂的双层结构机制。迄今为止，大多数4D打印的SMMs均为单向（图1A）（6）。Qi 等（7）首次报道了具有双向驱动功能的4D打印组件之一。

他们的方法构建了一种由两种不同聚合物组分组成的复合结构，包括响应性水凝胶和单向形状记忆聚合物。在此组合中，水凝胶的溶胀或收缩引起两种不同构型之间的切换，而形状记忆聚合物则作为调控形态转变发生时间的组分。该双向变形已在多种二维和三维结构中实现，例如条带、环形、周期性结构和折纸结构。其他研究人员最近还实现了液晶弹性体（LCEs）的4D打印，能够执行快速且可逆的机器人功能（图1B和C）（8，9）。LCEs在外部刺激（如温度或光）作用下可发生大尺度且可逆的形状转变。

用于未来医疗设备的4D打印柔性机器人组件

随着医疗领域机器人技术的日益普及，4D打印的机器人致动器，尤其是由柔性组件制成的致动器，将在未来医用机器人技术的发展中发挥关键作用。大量研究聚焦于开发用于医用机器人应用的柔性材料，因为这些材料具备生物相容性、生物降解性和适应性等特性，对医用介入工具至关重要。尽管3D打印柔性机器人部件已取得巨大进展，但能够实现三维柔性智能材料微型化的技术方法尚未建立。4D打印的小型化柔性结构将使我们能够制造微创手术工具、智能微支架和微支架以及微型自适应药物递送储库。

然而，目前的3D打印技术尚无法制造具有三维亚微米级细节的微型化智能材料；在某些极端情况下，仅能实现最小尺寸为~200 μm的结构。一种有前景的技术是双光子聚合（2PP），也称为三维激光光刻，该技术可制造高度从几百纳米到数毫米、层厚低于1 μm的高分辨率三维微结构。利用这种制造方法，已有报道实现了高度复杂的小型机器人装置。例如，Huang et al. (10) 采用2PP技术制造了带有无线控制阿基米德螺旋泵机制的磁性微运输器（图1D）。然而，利用2PP进行柔性微结构的4D打印尚未被广泛报道。

展望

无论机器人系统是由带有效应器的机械臂组成，还是由微米和纳米级组件组装而成，将4D打印材料应用于这些设备都将实现目前尚不具备的新功能。

已有大量研究致力于制造3D打印的微型机器人工具，但这些工具通常由无响应性的刚性材料制成。由于现有3D打印技术在智能材料微型化方面存在挑战，4D打印在小型机器人领域的应用仍处于未开发状态。使用双向响应材料制造任意形状对于未来机器人致动器的成功开发也至关重要。通过结合其他材料（如磁性或光响应性微纳米结构）来制造4D打印复合部件，也将为智能机器人致动器带来新的机遇。我们鼓励机器人技术领域探索全新的材料和制造方法，使4D打印像3D打印一样普及。