超材料是指一類具有特殊性質的人造材料，它們擁有一些特別的性質，比如讓光、電磁波改變它們的通常性質，而這樣的效果是傳統材料無法實現的。超材料的成分上沒有什么特別之處，它們的奇特性質源于其精密的幾何結構以及尺寸大小。其中的微結構，大小尺度小于它作用的波長，因此得以對波施加影響。
當前超材料的研究主要集中在光學應用上，例如具有超出普通透鏡和反射鏡能力的可調光學特性的超材料。然而，近年來，研究人員越來越多地將這種設計原理轉向在其他領域。例如，無需使用傳動齒輪即可將線性運動轉化為旋轉的機械超材料，或能夠按需調整鑲嵌機器人群的剛度或變形等體積特性。創造機器人超材料的另一條途徑是在結構中體現“機器人任務”。與使用提供不同功能的單獨部件構建機器人不同，使用多功能超材料構建的機器人具有明顯的優勢：
1）超材料是一種由重復圖案組成的合成結構，旨在展示所需的宏觀特性。與散裝材料不同，超材料的行為受其工程架構控制，而不是純粹受其材料構成驅動。
2）3D打印等增材制造技術加速了復雜超材料的制造，其規模越來越小，且功能前所未有。
3）建筑機器人傳統上依賴于組裝分立的執行器、傳感器、微處理器和電源。機器人超材料通過將自主性融入超材料的周期性結構來挑戰這一范式。
關鍵問題
壓電材料，例如鋯鈦酸鉛(PZT)，可以在機械應力下發電，并在連接到電場時變形，是機器人系統中提供傳感和驅動功能的理想候選材料。然而，高剛度、大重量和小電場引起的應變，阻礙了PZT等材料作為機器人肢體的直接應用。
新思路
有鑒于此，加州大學洛杉機分校鄭小雨教授團隊開發了一種合理設計壓電超材料的方法，該材料由無源、壓電有源和導電相組成，可以執行一些機器人任務。所需的變形模式，例如扭曲，近似為一些通過結構的離散平面的運動。反過來，這些平面的允許運動將告知壓電超材料內的結構相、致動器和電極應如何組織，以產生目標運動。在經典的彈性理論中，彈性材料的變形以拉伸、壓縮和剪切為特征。本文應用了微極彈性理論，通過在平移之上結合旋轉來擴展經典彈性理論。這種方法能夠更全面地評估壓電超材料的宏觀膨脹、剪切、扭曲和彎曲，以及它們的微結構、極化和外加電場。
圖1 示意圖
核心成果：
1）使用一種具有空間編程靜電荷的多材料立體光刻系統，并在選定區域制造了裝飾有導電金屬和壓電特性的 3D 陶瓷晶格。
由此產生的結構是一種使用電場到機械應變的雙向轉換來產生運動和傳感機器人超材料。逆壓電效應賦予機器人驅動能力，而直接和雙向壓電效應分別通過本體感受（自我監測）和外部感受（接觸檢測和遙感）實現反饋控制。超材料的拓撲結構允許將電極直接放置在壓電活性支柱上，從而誘導更強的電場并放大驅動應變。用壓電超材料制造的概念驗證可操縱多步態微型機器人顯示出前進、轉彎、跳躍、搬運貨物和避開障礙物的能力。
2）機器人超材料的增材制造。
該設計會實現完全集成的機器人的具體化，最終可能會直接走出3D打印機。盡管由硬陶瓷制成，但利用超材料的內部結構對變形進行反饋控制可以為連續體和軟機器人的設計提供信息。壓電超材料的合理設計方法可以通過使用更軟的電活性聚合物或磁流變彈性體來促進軟機器人超材料的發展。盡管在一段時間內將嵌入式電子設備集成到超材料中仍然是一個負擔，但分布式能源系統的最新進展可以指導機器人超材料中的發電、儲能和發電。
技術優勢：
1）將驅動和感知交織在一個輕量級的微型復合3D網格中，可以四處移動并感知周圍的環境。
2）用壓電超材料制造的概念驗證可操縱多步態微型機器人顯示出前進、轉彎、跳躍、搬運貨物和避開障礙物的能力。
3）由增材制造的機器人超材料可以使用電場到機械應變的雙向轉換來產生運動和傳感。逆壓電效應賦予機器人驅動能力，而直接和雙向壓電效應分別通過本體感受（自我監測）和外感受（接觸檢測和遙感）實現反饋控制。
技術細節
任意應變模式機器人超材料的合理設計
架構材料的核心概念是在3D單元拓撲中不受限制地放置材料，繞過天然晶體固有的限制或模仿它們以實現所需的特性。本文引入了一種方便且強大的策略來構建3D空間中的壓電活性、導電和結構相（圖2A）。因為現有的壓電張量不足以描述所有的自由度，本文在Cosserat固體的基礎上定義了廣義壓電張量來描述架構壓電材料的應變轉換（圖2B）。圖2C-K展示了各種壓電超材料的原理設計示意圖。
圖2. 具有任意應變模式的機器人超材料的合理設計。
機器人超材料的增材制造
本文還開發了一種電荷程序化多材料增材制造技術，能夠將壓電活性相、結構相和導電相組裝成復雜的3D微架構。首先，通過多材料3D打印系統（材料和方法）打印帶負電荷的樹脂和高負載的納米粒子膠體（圖3A）。然后將導電相選擇性地沉積在帶電樹脂上，形成帶有電極的3D微架構（圖3B）。此外，氧化鉛用于提供液體密封和富鉛環境，以抑制PZT在高于800 °C的溫度下的鉛蒸發（圖3D）。這種3D制造方法允許制造具有精確、微尺度3D結構和低孔隙率的壓電活性材料（圖3E-H）。總之，作者使用具有空間編程靜電荷的多材料立體光刻系統，并在選定區域制造了裝飾有導電金屬和壓電特性的3D陶瓷晶格。
圖3. 多材料制造平臺
多自由度放大和程序化應變
為了驗證機器人超材料的設計應變模式，本文通過高精度全場掃描激光多普勒振動儀(Polytec，PSV-500)測量了制造和極化樣品的電場激活變形(圖4A)。通過分層的外部電極施加具有50 V的正弦掃描信號，通過追蹤超材料的側表面來測量激活的變形(圖4A)，并將其重構為準靜態區域中的操作偏轉形狀以進行可視化。
圖4. 機器人超材料設計的實驗驗證
機器人超材料作為本體感知微機器人
本文巧妙地將驅動和感知交織在一個輕量級的微型復合3D網格中，它可以四處移動并感知周圍的環境。然后，通過設計一個機載控制系統和電源，朝著不受束縛的實施邁進。這種系統級集成雖然罕見，但應該大力鼓勵，以充分利用現實世界場景中快速發展的機器人材料的全部潛力，并找出它們的缺點。考慮到這里討論的移動壓電超材料，壓電活性元件的布線仍然是增強其多功能性的限制因素，并且分配功率和分散控制仍然是需要克服的障礙。盡管存在這些限制，但作者證明了當移動性和不受限制的自主性不是必不可少的時候，單片壓電架構可以充當具有六個自由度的緊湊型3D打印操縱器——即能夠沿著所有三個軸平移延伸，并圍繞所有三個軸旋轉扭曲。
圖5. 刺激響應多模態移動微型機器人
展望
本文報道的多材料增材制造技術將壓電陶瓷、金屬和結構材料組合成一個復雜的 3D 架構。由此產生的具有毫米到厘米尺寸的超材料塊能夠輸出具有高阻擋力的多自由度運動以及感應接觸和遠程刺激。這是在沒有任何外部傳感器和傳輸的情況下完成的。與其他驅動材料（例如介電彈性體）相比，機器人超材料具有低驅動電壓、寬頻率范圍、雙向傳感和驅動等優點。
報告的設計框架和制造方法對微型機器人、傳感器和機器人材料的未來發展具有直接影響；將有可能通過簡化的人造材料實現期望的運動和決策。
