普林斯顿大学3D打印液晶弹性体突破，软体机器人无需电机即可精准运动
软体机器人一直是机器人领域的研究热点，但传统软体机器人通常依赖气动驱动、形状记忆合金或电机牵引，不仅结构复杂，而且控制精度和耐久性存在瓶颈。近日，普林斯顿大学研究团队在《先进功能材料》期刊上发表了一项突破性研究成果，他们将3D打印液晶弹性体、柔性印刷电路和折纸力学数学模型三者深度结合，打造出了一类可反复变形、自主运动且无需外部机械驱动部件的软硬混合机器人。
液晶弹性体：模拟肌肉运动的智能材料
液晶弹性体（LCE）是一种在温度影响下可以显著变形的软物质材料，其行为方式与生物肌肉纤维极为相似。当温度升高时，LCE内部的液晶分子排列发生改变，导致材料整体收缩或弯曲；温度降低后则恢复原始形状。普林斯顿大学团队通过直写成型（Direct Ink Writing）3D打印技术，在打印过程中精确控制聚合物的分子取向，使LCE材料能够在特定方向上产生可编程的形变响应。
这项技术的核心创新在于将柔性印刷电路板嵌入打印的LCE结构中，作为结构骨架和加热元件。当电流通过柔性电路时，焦耳热效应使LCE材料的局部温度升高，从而引发精准可控的形变。通过恒流激光驱动器和微控制器的精确调控，研究团队能够独立控制每个加热节点的温度和升温速率，实现机器人在不同部位、不同时序的复杂运动序列。
折纸鹤形机器人：通电即可拍动翅膀
为了验证这一技术的实用性，研究团队设计并制作了一只折纸鹤形软体机器人。这只纸鹤完全由3D打印LCE材料和嵌入式柔性电路组成，不需要任何电机、气缸或外部动力源。当通入电流后，纸鹤的翅膀会按照预设的频率和幅度拍动，整个过程完全由电信号控制，动作流畅而精确。
研究团队成员David Bershadsky表示，这项研究最大的贡献在于展示了一个复杂系统的完整集成。团队实现了局部加热的精确控制，可以根据加热位置的不同选择性激活不同部位，从而实现多样化的运动模式。嵌入式温度传感器提供的实时反馈数据，让控制软件能够持续补偿形状变化过程中的微小误差，确保机器人在长期运行中保持稳定的运动精度。这一特性对需要反复执行相同动作的应用场景尤为重要。
软体机器人技术的未来应用前景
液晶弹性体3D打印软体机器人技术的突破，为多个行业带来了新的可能性。在医疗领域，无电机驱动的柔性机器人可以安全地应用于微创手术和体内药物递送，其柔软的材料特性不会对人体组织造成损伤。在工业领域，软体抓手可以轻松拾取易碎的电子元件、水果和玻璃制品，而不会造成表面损伤。在搜索救援场景中，软体机器人能够通过狭小的缝隙进入废墟内部，利用自适应性在复杂环境中灵活移动。
此外，LCE材料的自驱动特性意味着机器人本体就是执行器，无需额外配备电机、齿轮和传动机构。这大幅简化了机器人的机械结构，降低了制造成本和维护难度，同时也使机器人可以做得更小、更轻、更灵活。随着3D打印精度和LCE材料性能的进一步优化，液晶弹性体软体机器人有望在未来三到五年内从实验室走向实际应用，成为智能机器人领域的重要技术分支。
【文章来源：综合学术论文报道】