4D打印技術在軟體機器人制造中的應用綜述

耿子健，李占賢

(1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省工業機器人產業技術研究院，河北 唐山 063210)

0 引言

受自然界章魚、蛞蝓、草履蟲等軟體動物或單細胞生物啟發，軟體機器人制造技術發展迅速，成為近些年機器人領域熱點方向，軟體機器人是由驅動、本體、感知高度集成的新型機電液一體化智能系統，在勘探、偵測[1,2]、生物工程、介入醫療[3,4]等人機環境交互柔性和安全性要求較高的研究領域具有較好的應用前景。

傳統機器人一般是由連桿、齒輪、電機、鉸鏈等剛性零部件組成，一直是以高精度、高效率的特點著稱。軟體機器人不同于傳統剛性機器人，其基本結構由一些硅膠、水凝膠、橡膠、聚氨酯等軟彈質材料構成，一般是由氣液體[5]、形狀記憶合金[6]、介電彈性體[7]、光熱電磁敏材料等作為驅動器，電、光、氣、熱等柔性檢測器作為環境和本體狀態的感知器件。理論上軟體機器人擁有無限自由度，因此，具有良好的變形能力和靈活性以及與外界的交互性。

軟體機器人的制造技術理論已成為目前研究的熱點之一。軟體機器人制造技術包括模具澆注、沉積制造、復合3D打印和4D打印等技術。3D打印技術近些年發展迅速，由于技術本身具有生產成本低、制造周期短、快速制造等優點，故其也適用于多種結構復雜、定制化的軟體機器人制作。復合4D打印技術簡化了制造軟體機器人生產步驟，為軟體機器人一體化制造提供了技術支持。

1 4D打印技術

1.1 4D打印技術與3D打印技術區別

4D打印技術是在3D打印技術的基礎上發展起來的。3D打印技術是利用計算機輔助設計(CAD)對模型進行制作，經過3D打印機逐層堆疊形成的增材制造技術。而4D打印技術是利用3D打印機制造，再經過外部物理場的影響改變原有的形狀，借助形狀記憶效應，將印刷的材料轉化為復雜結構[8]，借助智能材料的特性從而實現對模型本體結構的重新編譯，如實現在物理場影響下的彎曲、拉伸、折疊等一系列動作。不同智能材料在外界物理場刺激下的響應如表1所示。

表1 不同智能材料在外界物理場刺激下的響應

4D打印技術的探索和發展與3D打印技術和智能材料的發展密切相關，智能材料結合多材料3D打印技術，形成動態的智能結構。3D打印技術和4D打印技術在根本上的區別就是4D打印是基于3D打印技術的原理引入“時間”維度。通過4D打印的材料結構[9]可以對外界物理場的刺激產生反應，3D打印和4D打印區別如圖1所示。

圖1 3D打印和4D打印的區別

1.2 4D打印技術關鍵因素

4D打印技術的關鍵因素為打印工藝、打印材料、外部物理場刺激、交互機制和模型建立，如圖2所示。打印工藝包括立體光刻(SLA)、選擇性激光燒結(SLS)、熔融沉積(FDM)、噴墨式(Inkjet printing)、直接墨水書寫(DIW)等。智能材料在外部場的刺激下須做出相應變化，這些材料也可被稱為可編程材料或者是智能材料，這些材料的特性決定了外部場的類型，而這些材料對外部場的響應決定了材料自轉化的能力。施加場可以是物理場、化學場、生物場，物理刺激包括光、水、溫度、磁場、電場、紫外線等，化學刺激包括化學物質、pH值的調節、氧化劑、還原劑的使用。生物刺激包含酶、葡萄糖。隨著外部場的引入，結構中產生了物理或者化學變化，如分子運動、化學鍵斷裂和重組、應力的松弛、相變等，導致本體結構發生變化。

圖2 4D打印技術的關鍵因素

交互機制和模型是相互作用的，當外部場對智能材料產生刺激時，并非所有的材料都會發生轉變，需要提供一定的機械輔助或者物理操作等交互機制來規劃形狀變化的順序。在提供交互機制后需要對模型進行規劃和測定外部場對智能材料的作用時間。4D打印技術可以概括為使用合適的相互作用機制結合建立的模型應用于智能材料，從而形成4D打印的智能結構。

2 4D打印技術在軟體機器人的應用

2.1 復合材料

磁性智能材料是一種新型的智能材料，它在磁場的影響下會出現毫秒級別的響應。麻省理工學院的Kim利用釹鐵硼永磁顆粒和彈性材料結合的復合材料，采用DIW打印方式(如圖3(a)所示)，在噴頭處施加強脈沖磁場，使鐵磁粒子隨著打印方向進行充磁和定向排列，對打印的形狀編碼磁疇方向(如圖3(b)所示)，制作完成后的結構可以在外界磁場變化時發生預設變形(如圖3(c)所示)，從而使軟體機器人實現爬行、折疊、抓取等功能。

圖3 基于復合材料的4D打印軟體機器人

重慶大學制備出可編程形狀的磁活性軟材料(MESMs)，該材料可以在外部磁場刺激下形成所需形狀。使用FDM打印機打印定向磁疇和封裝模具，最高打印精度可以達到0.1 mm，可以通過溫度、出料速度和打印速度對打印精度進行調節，加入2%的硅烷偶聯劑si-69對磁性結構表面進行改性，利用柔性材料作為基底，通過設計不同的方向和角度的磁疇對磁性結構編程，柔性基體和軟磁材料打印的結構具有高響應速度、柔韌性和高伸縮性的優點。通過勻強磁場的影響發生預設變形，利用該材料的特殊性質制作仿生結構的軟體機器人，為4D打印磁控軟體機器人提供新思路。MESMs材料仿生軟體機器人運動步態如圖4所示，可以實現彎曲，從而實現行走、游行、抓取等功能。

圖4 MESMs材料仿生軟體機器人運動步態

西安交通大學實驗室通過擠出印刷來制造磁性水凝膠和彈性體的集成結構[10](見圖5(a))，水凝膠組織與鐵磁顆粒等納米顆粒處于游離狀態(見圖5(d))。選擇溫敏性PNIPAm水凝膠為基質，加入油酸包覆的Fe3O4磁性納米顆粒，制備了磁溫敏性水凝膠。納米黏土(鋰皂石)用作流變改性劑，將水凝膠前體轉化為可印刷的油墨。對于磁性水凝膠的油墨，當黏土的質量分數<6.8%時，黏度太低而不能保持印刷形狀；當黏土的質量分數>11.4%時，黏度太高將會引起顆粒堵塞。而磁性納米粒子的質量分數在3%～20%之間時不影響油墨的可打印性，油墨的黏度和屈服應力都隨著黏土含量的增加而增加。通過加入納米二氧化硅來增加黏度，使用光引發劑(二苯甲酮)來誘導強界面粘合，從而制備用于硅氧烷彈性體(Ecoflex)的油墨。

通過加熱固化彈性體油墨，并通過紫外線照射固化水凝膠油墨，以制造集成結構(見圖5(b))。首先將彈性體油墨擠出到加熱的印刷平臺上進行原位聚合，使微觀納米顆粒形成致密的網狀結構(見圖5(e))，然后將磁性水凝膠油墨印刷到固化的彈性體上。集成結構在充入氮氣的真空箱中用紫外燈照射4 h，在固化過程中，引發劑可以誘導磁性水凝膠和彈性體的聚合物網絡之間形成共價連接。集成結構由交變磁場驅動(見圖5(c))，由于磁熱效應，磁性水凝膠可以被交變磁場加熱。當磁性水凝膠的溫度達到臨界值時，聚合物網絡斷裂(見圖5(f))。由于雙層結構的特性，水凝膠的大體積收縮導致整個結構變形。

圖5 4D打印磁性水凝膠抓取機器人

2.2 水凝膠

被稱為水凝膠的親水聚合材料已經成為3D印刷中常見的活性材料，因為它們能夠隨著刺激而顯著改變其體積。然而，就其機械強度而言，它們具有顯著的缺點：構成水凝膠的結構往往很脆弱，極其易碎。為了克服這一點，它們通常被注入第二聚合物網絡。互穿網絡水凝膠就是這樣一種極其堅韌的材料，由離子和共價鍵組合的交聯聚合物網絡組成。水凝膠可以隨著外界溫度場的刺激急劇改變自身體積，利用4D打印技術打印PNIPAAm(聚(n-異丙基丙烯酰胺))水凝膠，可用于生物醫學中藥物遞送、組織工程，以及工程中傳感器和驅動器系統的收集，微立體光刻技術為基于PNIPAAm材料的三維結構的打印提供了一種高效、經濟的方法。基于水凝膠的4D打印結構如圖6所示。

圖6 基于水凝膠的4D打印結構

3 發展趨勢與挑戰

相對于傳統的剛性機器人，軟體機器人具有良好的柔韌性、人機交互性和相對安全性，但是受限于制造技術和智能材料的缺乏，當前的軟體機器人只能完成彎曲、行走、游行、跳躍、抓取動作，在實際應用中還面臨各種限制與挑戰。

4D打印技術是3D打印和智能材料結合后產生的一個新興的研究領域，4D打印技術為軟體機器人制作提供了新思路。4D打印技術目前正處于起步階段，仍然有一些困難和挑戰需克服，智能材料、打印工藝、建模與編程等都是目前亟待研究的問題。智能材料和打印技術之間的相互結合是4D打印技術實現的難點和關鍵問題。

4 結論

(1)在闡述并分析用于制作軟體機器人的3D打印技術特點基礎上，進一步介紹了復合材料、新型智能材料、多材料4D打印的技術原理與應用案例。

(2)較為詳細地介紹了3D打印技術與4D打印技術的區別以及新型智能材料與4D打印技術的結合在軟體機器人制作領域的應用案例，針對一體化制造仿生軟體機器人的未來發展需求，指出了一體化高精度4D打印技術在軟體機器人制造方面的未來發展趨勢。