“出生”即可工作 有触觉的4D打印软体机器人来了

  近日,天津大学材料学院教授封伟研发了一种具备自主行动能力和触觉应变的4D打印软体机器人,该机器人在一次打印成型后即具有热致无约束滚动能力,无需任何其他后续加工程序。

  该研究成果在《细胞》出版社旗下顶尖期刊《物质》发表。

  传统制造方法限制了软体机器人“智能”

  软体机器人是一种新型柔韧机器人,他们能够适应不同的非结构化环境,更好、更安全地与人类进行交互。同传统机器人相比,它们灵活、适应性强,危险性更小。但是目前,软体机器人主要采用手工装配工艺制造。制造方法的局限性导致了生产困难,限制了材料选择范围,并且难以获得复杂的驱动性能,特别是无限制的自主运动和感知能力。

  相比之下,3D打印(增材制造技术)可以基于数字模型自动准确地将设计思想转化为复杂零件,从而显著提高生产效率和制造灵活性。

  “我们在3D打印的基础上,为软体机器人制造增加‘时间’维度——即4D打印,将智能材料加工成对热刺激具有响应行为的动态结构材料。”封伟介绍,我们希望通过4D打印能获得具有感知能力和适应性的智能软体机器人,而不是仅仅只会变形的致动器。如果软体机器人能具有更丰富的驱动现象,就可以模仿更多动物或人的行为,实现智能化,也就是人工智能。而目前的研究多数都是基于弯曲变形的致动器,这仅仅是初步的刺激响应性能。

  4D打印直接获得智能软体机器人

  通过4D打印直接获得智能软体机器人是一个巨大的挑战。

  封伟团队通过4D打印对液晶弹性体智能材料进行精确加工,直接获得了具有感知能力和适应性的智能软体机器人。“液晶弹性体是一种交联的聚合物网络,可将各向异性的刚性介晶单元连接在聚合物网络中,其特殊的结构将橡胶的弹性和液晶的各向异性有机结合起来,产生特殊的光学和物理特性。”封伟介绍,由于晶体内的原子定向排布导致液晶各个方向上所体现出来的性质都不一样,这就是各向异性。

  通过改造基于熔融沉积技术的3D打印机,团队实现了液晶弹性体的精准墨水直写打印技术。在此过程中,刚性介晶单元被直接写入具有可控分子序列的三维结构中。由于介晶排列顺序是通过打印路径设置的,因此不同的排列顺序可以实现不同的刺激响应性能。

  封伟团队通过全新的液晶弹性体热驱动现象,得到了一种具备自主行动能力和触觉应变的4D打印软体机器人。该机器人在一次打印成型后即具有热致无约束滚动能力,无需任何其他后续加工程序,制作简单快速,重复性好。

  “最让我们惊喜的是这种机器人的自主性,以及在遇到障碍物时的智能仿生行为。机器人的滚动稳定有力,而速度和方向可通过改变形状和尺寸进行调整。”封伟表示。

  当放置于160℃的热台上时,4D打印的矩形软体机器人变形为螺旋管状,并在加热板上自动开始滚动。调整大小可以改变机器人的滚动速度。而滚动的方向由螺旋管的曲率方向控制,可以轻松改变。这种管状机器人的整个驱动过程是自动的,无需改变环境因素,完全能在脱离人工控制的情况下完成任务。由于软体机器人显示出一定的黏弹特性和相当大的滚动驱动力,所以即使以一定角度放置在倾斜的加热板上时,依然可以向上滚动。

  可装载机器人自重40倍的货物

  相比于在日常环境中执行精确和重复性工作,机器人在极端环境中的工作更为不可替代。比在如酷热、寒冷、辐射、深水、真空和其他条件下执行智能和受控任务,对所有类型的机器人来说都是极具挑战性的。而与具有刚性系统的普通金属机器人相比,软体机器人在极端环境中的工作能力更为有限,特别是在极端高温条件下。

  目前的软体机器人,特别是由单种材料组成的软体机器人,走向人工智能的道路依旧漫长而艰难。

  封伟团队此次研制的4D打印软体机器人,由于螺旋圆筒的曲率方向控制滚动方向的特性使得这种软体机器人具有类似昆虫触角的触觉感知能力,能够探测前方道路上的障碍物,根据障碍物的高低实现翻越或折返,从行为学上体现了一定的智能性。比如当机器人穿越未知的固定长度路径时,将能实现3种场景:在预定时间内穿越意味着滚动路径中不存在障碍物;比预定时间穿越的慢意味着未知路径稍微被阻塞;机器人返回起点意味着未知路径被严重或完全阻塞。

  此外货物运输也是无约束软体机器人的一个重要应用。“虽然我们的机器人只能向前和向后移动,但它依然可以用于点对点货物运输。”封伟介绍:“管状机器人的空心圆筒为线形物体提供了装载空间。为了测试管状机器人在非线形物体情况下的运输能力,我们设计了一个类似于地牛的小型牵引装置,整个装置可以在加热板上以恒定速度移动。这表明这种软体机器人可以应用于在极端高温环境中执行货物运输任务。”

  通过增加样品长度,软体机器人可显著提高运输能力。如果样品长度增加到米级时,管状机器人的运输能力可能会增加一个数量级,装载货物的最大容量可达机器人重量的40倍。

  来源:科技日报

【北京冬奥会】
2022年,体育赛事将开启新征程,重燃运动魂,亚洲以史为鉴,展望未来,2022年的冬奥会将科技与运动相结合,让全世界的眼光再次集聚东方,聚焦奥运史上首个“双奥之城”北京。2022,让我们共同期待冬奥会,一起大步向未来 !
(图源自于北京2022冬奥会和残奥会组织委员会官方网站) ​​​

#汽车评测#【海神来袭 玛莎拉蒂MC20中国赛道首秀】

一提到玛莎拉蒂,就能想到它纯粹的意大利血统和三叉戟的海神标志。在车迷的心中,想必印象最深刻的就是玛莎拉蒂的MC12了,它是为了纪念玛莎拉蒂光荣的赛车传统而生。MC的含义代表着玛莎拉蒂造车的宗旨,M代表着Maserati,C代表着Corsa,它在意大利语中就是“比赛”的意思。而在现如今竞争激烈的超跑市场下,玛莎拉蒂也发布它开启品牌新纪元的超级跑车MC20。而且,在10月11日万众瞩目的玛莎拉蒂超级跑车MC20正式登陆宁波国际赛道,上演速度与激情。

作为三叉戟品牌新纪元的开篇力作, MC20于2020年耀目登场,这款100%意大利制造的超级跑车,将行业顶尖科技与机械艺术凝练于一身,其流淌不绝的赛道激情正是玛莎拉蒂回归运动基因的最佳明证,并引领三叉戟品牌迈入全新的发展时代。

外观方面:
MC20将极致的空气动力学与造型艺术完美融合,优雅的型面生动诠释出雕塑艺术般的工程设计理念。其行云流水般毫无冗余的车身线条,不仅气场十足,整车的风阻系数更是低于0.38,在极速行驶时,无需借助硕大的尾翼,MC20可产生超过160KG的下压力,对车辆在赛道上高速行驶的稳定性尤为关键。

整个车身采用碳纤维和复合材料制成,从而确保了车身重量更轻、组装时间更快,并且在车身设计时拥有了更大的自由度。由于采用了碳纤维,可以制作出使用金属压模无法实现的造型,MC20的蝴蝶门就是一个典型的例子。

空气动力学的运用将MC20分为具有不同设计理念的两部分:更注重设计感的上部和更具技术特色的下部,下部在颜色上以黑色和碳纤维为特点。

在车辆上部区域,造型的设计优先考虑了美感,空气动力学元素与设计师笔下构思的线条融合在一起,在保持车身简洁优雅的同时赋予其高性能。

MC20配备了带有主动减震器的双叉臂悬挂系统。前桥和后桥均采用了短轴半虚拟双叉臂布局。该类型的悬挂系统在确保了操纵性和舒适性的同时,带来最佳的性能表现。

车底后部带有独特的大型扩散器,拥有不同深度的通道和经过优化的垂直扰流板,可利用各个部分之间的压差产生涡流并使气流更加强劲。借不懈的研究与开发,以及在技术和设计之间不断深入与整合,MC20能够产生极高的空气动力学下压力和极小的前进阻力值,从而使车辆时速超过325 km/h,在任何路况下皆可贴地“飞行”。

MC20前轮配备Brembo径向安装6活塞单体制动卡钳,搭配390 x 36 mm Brembo碳纤维陶瓷制动盘,带来卓越的制动表现;后轮则配备Brembo 4活塞单体制动钳卡钳和360 x 28 mm Brembo碳纤维陶瓷制动盘

内饰方面:
MC20以其兼具优雅与动感的车身线条传达视觉效果,而内饰则以纯粹的功能性为核心。一切设计都极具合理性,呈现出近乎极简主义的风格,内部配备两个10.25英寸的屏幕,其中一个位于驾驶位,另一个位于玛莎拉蒂智能辅助多媒体系统(MIA)中央,略微倾向驾驶席。

中央通道非常简洁,没有任何多余的设计,只有驾驶模式选择按钮、两个挡位按钮、车窗升降按钮、信息娱乐系统音量控制以及一个带有无线充电器的手机垫。所有其他操控按钮则设置在方向盘上,点火开关位于左侧,右侧则为弹射起步按钮。

关于驾驶模式MC20设有四种驾驶模式:WET湿滑路面模式,GT模式,SPORT运动模式,CORSA赛道模式,外加ESC OFF模式,可通过中央通道的选择器进行选择。不同颜色代表了不同的驾驶模式:WET湿滑路面模式为绿色、GT模式为蓝色、SPORT运动模式为红色、CORSA赛道模式为黄色、ESC OFF模式为橙色。

MC20是玛莎拉蒂首款在方向盘上安装启动按钮的新一代车型,这也是这款车极致运动风格的另一个表现。启动按钮和弹射起步按钮集成在方向盘的中央区域。方向盘采用黑色皮革包裹,并嵌有碳纤维材质。如果想要一款更具赛车体验感的方向盘,也可选择Alcantara®材质。

座舱虽然优先考虑了每一元素的功能性,但巧妙设计的碳纤维内饰也充分体现了时尚与性能及工程技术的融合之美。碳纤维内饰为哑光饰面,打造出类似织物般极具剪裁感的效果。

Alcantara包裹的座椅也能为驾驶者提供高度的稳定性,从而带来精准的过弯体验。优异的透气性、耐磨性以及完美的附着力让Alcantara成为了所有超级跑车内饰材质的首选,使车辆兼具出色的性能和无与伦比的舒适性。

动力方面:
名为“Nettuno海神”的630匹马力 6缸3000 cc 90°涡轮增压发动机毫无疑问是一项极具创新精神的设计,并已获得国际专利,因为它将源自F1赛车的技术引入到公路车中。最高时速超过325 km/h,0到100 km/h的加速时间不超过2.9秒,0到200 km/h的加速时间不超过8.8秒。变速箱为8速湿式双离合器,配备6个动力档和两个超速档,可实现更优的排放。

这款100%在摩德纳制造的发动机是目前功率最高的6缸发动机。它由位于摩德纳艾米利亚·奥斯维特大街的创新实验室研发,技术部门的工程师们逐一完成了各个部件的设计,使其成为当今最先进的公路汽车发动机技术。

作为一款为赛道而生的极速猛兽,诸多源于赛道技术的深入应用,为MC20极速时的贴地“飞行”提供坚定支撑。MC20配备了带有主动减震器的双叉臂悬挂系统,前后悬架均采用了“杀弯利器”——半虚拟转向,进而始终保持纯粹的操控感受,同时更兼顾舒适性。

Brembo前六活塞后四活塞的卡钳,配合顶级碳陶瓷制动盘,出色的制动系统皆在为强大的性能保驾护航。MC20将极致的空气动力学与造型艺术完美融合,优雅的型面生动诠释出雕塑艺术般的工程设计理念。其行云流水般毫无冗余的车身线条,不仅气场十足,整车的风阻系数更是低于0.38,在极速行驶时,无需借助硕大的尾翼,MC20可产生超过160KG的下压力,对车辆在赛道上高速行驶的稳定性尤为关键。

作为本次赛道试驾的独家轮胎合作伙伴,享誉全球的轮胎和橡胶制品公司普利司通与玛莎拉蒂的合作由来已久,此次为这款超级跑车MC20量身定制的“搏天族”高性能车胎,在操控、速度、稳定性等多维度进行了全面优化升级,助力玛莎拉蒂MC20 全擎释放澎湃性能。

得益于MC20的可调节悬挂系统,在SPORT运动或Corsa赛道模式下,悬挂系统硬度较高,此时按下悬挂调节按钮可降低悬挂系统硬度,提高舒适度。它优势在不平坦的路面尤其显著,可以给驾驶者带来运动感和舒适度俱佳的驾驶体验。

总结:
MC20作为三叉戟品牌新纪元的开篇力作, 它其实于2020年就已经耀目登场,这款100%意大利制造的超级跑车,将行业顶尖科技与机械艺术凝练于一身,其流淌不绝的赛道激情正是玛莎拉蒂回归运动基因的最佳明证,并引领三叉戟品牌迈入全新的发展时代。宁波国际赛道拥有长大直道和诸多组合弯角,极富挑战性的22个速度和半径各异的弯角,对赛车的动力输出和制动性能提出了更高的要求。MC20凭借出色的性能表现,皆可轻松征服,将赛道化为彰显强大实力的舞台。#名车鉴赏##玛莎拉蒂mc20#


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