4D打印技术在软体机器人制造中的应用综述

耿子健，李占贤

(1.华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省工业机器人产业技术研究院，河北 唐山 063210)

0 引言

受自然界章鱼、蛞蝓、草履虫等软体动物或单细胞生物启发，软体机器人制造技术发展迅速，成为近些年机器人领域热点方向，软体机器人是由驱动、本体、感知高度集成的新型机电液一体化智能系统，在勘探、侦测[1,2]、生物工程、介入医疗[3,4]等人机环境交互柔性和安全性要求较高的研究领域具有较好的应用前景。

传统机器人一般是由连杆、齿轮、电机、铰链等刚性零部件组成，一直是以高精度、高效率的特点著称。软体机器人不同于传统刚性机器人，其基本结构由一些硅胶、水凝胶、橡胶、聚氨酯等软弹质材料构成，一般是由气液体[5]、形状记忆合金[6]、介电弹性体[7]、光热电磁敏材料等作为驱动器，电、光、气、热等柔性检测器作为环境和本体状态的感知器件。理论上软体机器人拥有无限自由度，因此，具有良好的变形能力和灵活性以及与外界的交互性。

软体机器人的制造技术理论已成为目前研究的热点之一。软体机器人制造技术包括模具浇注、沉积制造、复合3D打印和4D打印等技术。3D打印技术近些年发展迅速，由于技术本身具有生产成本低、制造周期短、快速制造等优点，故其也适用于多种结构复杂、定制化的软体机器人制作。复合4D打印技术简化了制造软体机器人生产步骤，为软体机器人一体化制造提供了技术支持。

1 4D打印技术

1.1 4D打印技术与3D打印技术区别

4D打印技术是在3D打印技术的基础上发展起来的。3D打印技术是利用计算机辅助设计(CAD)对模型进行制作，经过3D打印机逐层堆叠形成的增材制造技术。而4D打印技术是利用3D打印机制造，再经过外部物理场的影响改变原有的形状，借助形状记忆效应，将印刷的材料转化为复杂结构[8]，借助智能材料的特性从而实现对模型本体结构的重新编译，如实现在物理场影响下的弯曲、拉伸、折叠等一系列动作。不同智能材料在外界物理场刺激下的响应如表1所示。

表1 不同智能材料在外界物理场刺激下的响应

4D打印技术的探索和发展与3D打印技术和智能材料的发展密切相关，智能材料结合多材料3D打印技术，形成动态的智能结构。3D打印技术和4D打印技术在根本上的区别就是4D打印是基于3D打印技术的原理引入“时间”维度。通过4D打印的材料结构[9]可以对外界物理场的刺激产生反应，3D打印和4D打印区别如图1所示。

图1 3D打印和4D打印的区别

1.2 4D打印技术关键因素

4D打印技术的关键因素为打印工艺、打印材料、外部物理场刺激、交互机制和模型建立，如图2所示。打印工艺包括立体光刻(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积(FDM)、喷墨式(Inkjet printing)、直接墨水书写(DIW)等。智能材料在外部场的刺激下须做出相应变化，这些材料也可被称为可编程材料或者是智能材料，这些材料的特性决定了外部场的类型，而这些材料对外部场的响应决定了材料自转化的能力。施加场可以是物理场、化学场、生物场，物理刺激包括光、水、温度、磁场、电场、紫外线等，化学刺激包括化学物质、pH值的调节、氧化剂、还原剂的使用。生物刺激包含酶、葡萄糖。随着外部场的引入，结构中产生了物理或者化学变化，如分子运动、化学键断裂和重组、应力的松弛、相变等，导致本体结构发生变化。

图2 4D打印技术的关键因素

交互机制和模型是相互作用的，当外部场对智能材料产生刺激时，并非所有的材料都会发生转变，需要提供一定的机械辅助或者物理操作等交互机制来规划形状变化的顺序。在提供交互机制后需要对模型进行规划和测定外部场对智能材料的作用时间。4D打印技术可以概括为使用合适的相互作用机制结合建立的模型应用于智能材料，从而形成4D打印的智能结构。

2 4D打印技术在软体机器人的应用

2.1 复合材料

磁性智能材料是一种新型的智能材料，它在磁场的影响下会出现毫秒级别的响应。麻省理工学院的Kim利用钕铁硼永磁颗粒和弹性材料结合的复合材料，采用DIW打印方式(如图3(a)所示)，在喷头处施加强脉冲磁场，使铁磁粒子随着打印方向进行充磁和定向排列，对打印的形状编码磁畴方向(如图3(b)所示)，制作完成后的结构可以在外界磁场变化时发生预设变形(如图3(c)所示)，从而使软体机器人实现爬行、折叠、抓取等功能。

图3 基于复合材料的4D打印软体机器人

重庆大学制备出可编程形状的磁活性软材料(MESMs)，该材料可以在外部磁场刺激下形成所需形状。使用FDM打印机打印定向磁畴和封装模具，最高打印精度可以达到0.1 mm，可以通过温度、出料速度和打印速度对打印精度进行调节，加入2%的硅烷偶联剂si-69对磁性结构表面进行改性，利用柔性材料作为基底，通过设计不同的方向和角度的磁畴对磁性结构编程，柔性基体和软磁材料打印的结构具有高响应速度、柔韧性和高伸缩性的优点。通过匀强磁场的影响发生预设变形，利用该材料的特殊性质制作仿生结构的软体机器人，为4D打印磁控软体机器人提供新思路。MESMs材料仿生软体机器人运动步态如图4所示，可以实现弯曲，从而实现行走、游行、抓取等功能。

图4 MESMs材料仿生软体机器人运动步态

西安交通大学实验室通过挤出印刷来制造磁性水凝胶和弹性体的集成结构[10](见图5(a))，水凝胶组织与铁磁颗粒等纳米颗粒处于游离状态(见图5(d))。选择温敏性PNIPAm水凝胶为基质，加入油酸包覆的Fe3O4磁性纳米颗粒，制备了磁温敏性水凝胶。纳米黏土(锂皂石)用作流变改性剂，将水凝胶前体转化为可印刷的油墨。对于磁性水凝胶的油墨，当黏土的质量分数<6.8%时，黏度太低而不能保持印刷形状；当黏土的质量分数>11.4%时，黏度太高将会引起颗粒堵塞。而磁性纳米粒子的质量分数在3%～20%之间时不影响油墨的可打印性，油墨的黏度和屈服应力都随着黏土含量的增加而增加。通过加入纳米二氧化硅来增加黏度，使用光引发剂(二苯甲酮)来诱导强界面粘合，从而制备用于硅氧烷弹性体(Ecoflex)的油墨。

通过加热固化弹性体油墨，并通过紫外线照射固化水凝胶油墨，以制造集成结构(见图5(b))。首先将弹性体油墨挤出到加热的印刷平台上进行原位聚合，使微观纳米颗粒形成致密的网状结构(见图5(e))，然后将磁性水凝胶油墨印刷到固化的弹性体上。集成结构在充入氮气的真空箱中用紫外灯照射4 h，在固化过程中，引发剂可以诱导磁性水凝胶和弹性体的聚合物网络之间形成共价连接。集成结构由交变磁场驱动(见图5(c))，由于磁热效应，磁性水凝胶可以被交变磁场加热。当磁性水凝胶的温度达到临界值时，聚合物网络断裂(见图5(f))。由于双层结构的特性，水凝胶的大体积收缩导致整个结构变形。

图5 4D打印磁性水凝胶抓取机器人

2.2 水凝胶

被称为水凝胶的亲水聚合材料已经成为3D印刷中常见的活性材料，因为它们能够随着刺激而显著改变其体积。然而，就其机械强度而言，它们具有显著的缺点：构成水凝胶的结构往往很脆弱，极其易碎。为了克服这一点，它们通常被注入第二聚合物网络。互穿网络水凝胶就是这样一种极其坚韧的材料，由离子和共价键组合的交联聚合物网络组成。水凝胶可以随着外界温度场的刺激急剧改变自身体积，利用4D打印技术打印PNIPAAm(聚(n-异丙基丙烯酰胺))水凝胶，可用于生物医学中药物递送、组织工程，以及工程中传感器和驱动器系统的收集，微立体光刻技术为基于PNIPAAm材料的三维结构的打印提供了一种高效、经济的方法。基于水凝胶的4D打印结构如图6所示。

图6 基于水凝胶的4D打印结构

3 发展趋势与挑战

相对于传统的刚性机器人，软体机器人具有良好的柔韧性、人机交互性和相对安全性，但是受限于制造技术和智能材料的缺乏，当前的软体机器人只能完成弯曲、行走、游行、跳跃、抓取动作，在实际应用中还面临各种限制与挑战。

4D打印技术是3D打印和智能材料结合后产生的一个新兴的研究领域，4D打印技术为软体机器人制作提供了新思路。4D打印技术目前正处于起步阶段，仍然有一些困难和挑战需克服，智能材料、打印工艺、建模与编程等都是目前亟待研究的问题。智能材料和打印技术之间的相互结合是4D打印技术实现的难点和关键问题。

4 结论

(1)在阐述并分析用于制作软体机器人的3D打印技术特点基础上，进一步介绍了复合材料、新型智能材料、多材料4D打印的技术原理与应用案例。

(2)较为详细地介绍了3D打印技术与4D打印技术的区别以及新型智能材料与4D打印技术的结合在软体机器人制作领域的应用案例，针对一体化制造仿生软体机器人的未来发展需求，指出了一体化高精度4D打印技术在软体机器人制造方面的未来发展趋势。