九零后學(xué)術(shù)伉儷研發(fā)能量密度最高的軟體機(jī)器人

近日，29歲的留學(xué)生李碩聯(lián)合妻子白鶴丹，研發(fā)出目前3D打印智能材料領(lǐng)域能量密度最高的軟體機(jī)器人。

相關(guān)論文以《數(shù)字光處理制備液晶彈性體及它在自感知人工肌肉方面的應(yīng)用》為題發(fā)表在《深科技》雜志上。

李碩表示，該論文主要介紹了一種智能軟材料——液晶彈性體的制備新方法，同時(shí)也介紹了其在軟體機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用，包括利用材料自身作為傳感器的新方式。

他表示，在軟體機(jī)器人領(lǐng)域，科學(xué)家們一般重點(diǎn)研究驅(qū)動(dòng)、傳感和控制。本次該論文主要研究的是將刺激響應(yīng)聚合物作為驅(qū)動(dòng)器，通過在液晶彈性體的增材制造過程中取向，成功實(shí)現(xiàn)了人工肌肉的大部分特性（包括利用單個(gè)部件在局部可逆地收縮、膨脹或旋轉(zhuǎn)）。

攻克材料取向難題

關(guān)于該研究的創(chuàng)新點(diǎn)，他表示， 液晶彈性體在1 9 7 5年被諾貝爾獎(jiǎng)獲得者德熱納提出以后的幾十年來，得到了化學(xué)和材料領(lǐng)域越來越多的關(guān)注。

通過結(jié)合液晶的各向異性和高分子網(wǎng)絡(luò)的橡膠彈性， 輕度交聯(lián)的液晶高分子材料可以在外場(chǎng)（ 溫度、電場(chǎng)、光） 的作用下在各向同性態(tài)和液晶態(tài)快速、可逆地變換， 從而產(chǎn)生形狀的變化。

由于其良好的外場(chǎng)響應(yīng)性、結(jié)構(gòu)形態(tài)變化和彈性，液晶彈性體的相關(guān)研究逐漸引起了包括軟體機(jī)器人在內(nèi)的更廣泛領(lǐng)域的興趣： 在外場(chǎng)作用下誘導(dǎo)宏觀物體產(chǎn)生形狀變化可以有效地將其他能量形式轉(zhuǎn)化為機(jī)械能， 從而有助于實(shí)現(xiàn)利用材料自身構(gòu)筑人工肌肉和馬達(dá)， 并對(duì)它們進(jìn)行遠(yuǎn)程快速調(diào)控。

傳統(tǒng)上液晶彈性體的制備面臨兩大難題： 高分子合成和液晶分子取向。近幾年來， 雖然相關(guān)化學(xué)合成路徑的研究極大降低了合成難度， 液晶分子取向卻依然比較困難， 而李碩此次提出的基于數(shù)字光處理的3 D打印技術(shù)攻克的正是這一難題。

他表示， 制作液晶彈性體的傳統(tǒng)方法一般是利用液晶盒法，但這種方法的局限在于液晶盒厚度存在一定限制，通常為50μm～100μm，一旦超過就無法成功取向或驅(qū)動(dòng)，因而極大地限制了這種材料在實(shí)際應(yīng)用方面的表現(xiàn)。

近兩年，研究人員開始探索包擴(kuò)直接墨水書寫（DIW）在內(nèi)的3D打印技術(shù)，也就是將未交聯(lián)的液晶低聚物裝入針管后由印刷針頭擠出，通過在擠出過程中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力使液晶元自發(fā)地沿印刷路徑排列完成一維（1D）取向的過程。

雖然這種方法已經(jīng)為基于液晶彈性體的新型軟機(jī)器人開辟了一條新路徑，但它的一個(gè)明顯的缺點(diǎn)在于打印效率比較低。

如果想提高取向程度，針頭就需要非常細(xì)，但是針頭越細(xì)，打印同體積驅(qū)動(dòng)器的時(shí)間就越長。

基于此，李碩和同事提出利用更高效率的數(shù)字光處理3D打印內(nèi)置的剪切運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)二維（2D）取向的全新辦法。

舉例來說，如果把DIW打印過程想象成用圓珠筆一次劃一條線，李碩使用的打印過程則是利用毛刷一次劃一個(gè)面，從而極大地提高了打印的效率。

這個(gè)想法的提出來源于他在使用組里的Autodesk Ember立體光刻造型3D打印機(jī)時(shí)觀察到的一個(gè)獨(dú)特現(xiàn)象。

他發(fā)現(xiàn)打印平臺(tái)相對(duì)于填滿光聚合液態(tài)前驅(qū)體的容器在每一層的打印過程后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)快速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣在數(shù)字激光投影產(chǎn)生的紫外光完成高分子聚合后，打印出來的聚合物可以自動(dòng)從透光玻璃上方脫離，從而打印下一層時(shí)實(shí)現(xiàn)更佳的平整度。

這原本是在實(shí)驗(yàn)過程中的普遍現(xiàn)象，但他覺得該現(xiàn)象可以經(jīng)過簡單的編輯一舉同時(shí)實(shí)現(xiàn)液晶彈性體合成和取向，因此率先提出了上述想法。

這種材料的合成路徑其實(shí)非常簡單，兩種棒狀液晶分子RM257和RM82的組合可以有效降低液晶彈性體從液晶相到各向同性態(tài)的轉(zhuǎn)化溫度，也是合成的主要原材料。

但是如果只有這兩種液晶分子結(jié)晶度會(huì)非常高，即合成出來的材料會(huì)特別硬，因此必須加入柔性連接分子，讓整個(gè)材料變得軟起來。

同時(shí)，還需要交聯(lián)劑和引發(fā)劑，在紫外光源的激發(fā)下把材料從一個(gè)眾多的單鏈變成三維的高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

基于材料特性，提出傳感方式的全新思路

此前，白鶴丹的主要研究方向是針對(duì)軟體機(jī)器人柔性光電傳感的研究，在傳感方式上該課題組最早提出利用光信號(hào)進(jìn)行傳感。在本次研究中， 基于材料在光學(xué)方面的性質(zhì)，他們又提出了全新傳感思路。

由于液晶彈性體的形狀響應(yīng)與液晶有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高度耦合，當(dāng)從室溫加熱至相轉(zhuǎn)化溫度之上時(shí)，材料變?yōu)楦飨蛲院螅S著宏觀形狀的變化它的透明度也會(huì)隨之改變。簡而言之，就是溫度越高，材料越透明，通光率越高。

通過主動(dòng)將外部的光信號(hào)導(dǎo)入材料并接收反射的信號(hào)，即可判斷這一形變到底是手動(dòng)制造的、還是熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的。

另外，也可以通過光強(qiáng)信號(hào)來判斷彎折變形的大小，該過程是也是該團(tuán)隊(duì)單純通過材料性質(zhì)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器自感知的一個(gè)嘗試。

制備成本較為便宜，一片材料五美元起

在成本上，李碩表示批量制備液晶分子非常便宜， 以制備時(shí)使用的驅(qū)動(dòng)器為例，其厚度一般是幾百微米，一片的材料成本在5美元～10美元。而實(shí)驗(yàn)中使用的打印機(jī)也很廉價(jià)，購買時(shí)的價(jià)格在是2000美元以下。

通過軟體機(jī)器人，李碩展示了本次研究的驅(qū)動(dòng)能力和傳感能力，其中一個(gè)展示是讓機(jī)器人做可逆抓取運(yùn)動(dòng)、爬行運(yùn)動(dòng)和舉重，這些都是軟體機(jī)器人研究中最經(jīng)常被用來衡量機(jī)器人性能的演示。

在打印時(shí)，由于打印機(jī)的特性，李碩發(fā)現(xiàn)總是有最后一層材料無法被取向。所以相對(duì)于液晶彈性體的收縮和膨脹傳統(tǒng)二維形狀變化，他們打印出的驅(qū)動(dòng)器更多呈現(xiàn)出三維彎曲的形式，而恰巧這種形變方式更便于應(yīng)用在多種多樣的軟體機(jī)器人實(shí)際操作中。

該論文第一個(gè)展示的機(jī)器人樣機(jī)是一個(gè)微型抓取器， 它的長度不到2 厘米，寬度是1.5厘米，厚度約為200μm，它可以輕松抓取并傳送一個(gè)加熱過的金屬彈簧。也就是說它不僅體積小，并且具備物體抓取和釋放能力。

在機(jī)器人的爬行運(yùn)動(dòng)上，李碩認(rèn)為該材料獨(dú)特的局部可驅(qū)動(dòng)性是實(shí)現(xiàn)有效爬行的前提。如下圖所示，他將熱源控制在不同范圍里，從而讓軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)三種爬行形態(tài)：其一讓其前肢拱起;其二讓其軀干拱起從而帶動(dòng)后肢前行;其三是后肢拱起推動(dòng)前肢前探。通過重復(fù)前面的組合可以輕松實(shí)現(xiàn)爬行。

他表示，讓軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)爬行的方式是受其導(dǎo)師羅伯特謝潑德啟發(fā)。謝潑德在十年前在博后的研究工作中最先提出了基于氣動(dòng)的四足軟體機(jī)器人，相關(guān)論文《多步態(tài)軟體機(jī)器人》于2011年刊登在PNAS上。

軟體機(jī)器人具備舉重能力，則是本次材料的第三個(gè)特色。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器只有56毫克時(shí)，就能提起重量接近自身700倍的砝碼（40克）。

通過舉重實(shí)驗(yàn)李碩測(cè)出了材料做功能力，也就是軟體機(jī)器人對(duì)外做的功相對(duì)于自身重量的比值（約為每千克63焦），通過計(jì)算模擬進(jìn)而可以得出材料的能量密度（約為每立方米1 8 0千焦） ; 這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)都創(chuàng)造了3D打印智能軟材料的新紀(jì)錄。

刺激響應(yīng)高分子材料制成的柔性智能驅(qū)動(dòng)器在眾多領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)于液晶彈性體來說，常規(guī)的應(yīng)用場(chǎng)景包括但不限于觸覺顯示器、人工肌肉執(zhí)行器、微型驅(qū)動(dòng)開關(guān)。

李碩表示，本文提到的驅(qū)動(dòng)器和傳感器的例子，除了對(duì)于軟體機(jī)器人這個(gè)新興研究領(lǐng)域，在其他熱門研究方向，例如柔性電子器件和可植入醫(yī)療器械也會(huì)有更多新奇的應(yīng)用等待探索。

曾就讀北京二中，去年獲得優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金

李碩通過標(biāo)準(zhǔn)化考試S A T和托福直接申請(qǐng)到UIUC讀本科，并于大二加入約翰·A·羅杰斯院士課題組。本科期間，其深度參與并作出貢獻(xiàn)的兩個(gè)項(xiàng)目分別發(fā)表在C e l l 和Advanced Materials期刊上。

在康奈爾大學(xué)謝潑德教授課題組讀博期間，他在可拉伸顯示材料方向的研究論文，主要發(fā)表在Science、Advanced Materials等期刊上。目前， 其G o o g l e S c h o l a r引用量為2450，并于2020年獲得國家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金（特別優(yōu)秀獎(jiǎng)）。

繼可拉伸顯示材料之后，李碩在博士期的間又一研究方向是基于刺激響應(yīng)智能材料的軟體機(jī)器人。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、傳感和控制傳統(tǒng)來說可以通過單獨(dú)的模塊來實(shí)現(xiàn)。

而刺激響應(yīng)智能材料為機(jī)器人提供了自下而上的新思路，即材料本身便可集合機(jī)器人所需的三個(gè)重要功能于一身，從而實(shí)現(xiàn)材料本身就是機(jī)器人的目的。

據(jù)悉，本次研究在2018年底立項(xiàng)，旨在通過液晶彈性體獨(dú)特的熱機(jī)械響應(yīng)和光學(xué)性質(zhì)，探索實(shí)現(xiàn)材料機(jī)器人的可能性。

但他也坦言，準(zhǔn)備過程非常長，半年內(nèi)在閱讀了大量文獻(xiàn)之后，才找到一個(gè)他認(rèn)為效率比較高的合成路徑。

然后開始做實(shí)驗(yàn)，并對(duì)打印機(jī)進(jìn)行改裝和調(diào)試，以及做材料流體性質(zhì)的優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長達(dá)半年，2020年3月份，學(xué)校因?yàn)樾鹿谝咔楸黄韧Ｕn。他趕在實(shí)驗(yàn)室關(guān)門前，把實(shí)驗(yàn)做完就開始寫文章。

據(jù)悉， 李碩于1992年出生于西安，小學(xué)隨父母搬到北京，后來在北京二中讀完中學(xué)，通過標(biāo)準(zhǔn)化考試SAT和托福直接申請(qǐng)到了伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（ U I U C ） 讀本科，從本科開始就一直是材料工程專業(yè)，博士期間來到康奈爾大學(xué)。

目前，李碩在美國西北大學(xué)做博后研究，繼續(xù)師從約翰·A·羅杰斯院士。談及未來，他計(jì)劃在兩三年左右博士后出站，屆時(shí)將尋找高校的教職工作。