高機(jī)動(dòng)性的機(jī)器人能夠跨越障礙物或快速移動(dòng)， 利用奔跑、跳躍、彈射或多多運(yùn)動(dòng)模態(tài)組合，在航空航天、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。由于高能爆發(fā)的行為和運(yùn)動(dòng)中的巨大振動(dòng)，這些機(jī)器人需要簡(jiǎn)單且可靠。4D打印高機(jī)動(dòng)性的機(jī)器人通過(guò)結(jié)合刺激響應(yīng)材料的功率放大和增材制造技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。它將執(zhí)行、感應(yīng)和控制模塊集成為一個(gè)組件，結(jié)構(gòu)高度集成，運(yùn)動(dòng)可控且具備高機(jī)動(dòng)性。本文將綜述基于4D打印高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人，重點(diǎn)關(guān)注從設(shè)計(jì)到制造的關(guān)鍵技術(shù)。首先，概述了4D打印高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人的制造工藝。然后，從仿生學(xué)的角度，復(fù)習(xí)功率放大的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在總結(jié)適用于4D打印高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人的刺激-響應(yīng)材料后，詳細(xì)闡述了控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向、速度、模式和響應(yīng)時(shí)間的策略。最后，重點(diǎn)介紹了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)以及對(duì)高度機(jī)動(dòng)性機(jī)器人4D打印的展望。

高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人（Maneuverable Robots）可以實(shí)現(xiàn)奔跑、跳躍、彈射或多模式組合運(yùn)動(dòng)，能夠快速穿越復(fù)雜環(huán)境，具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，這類(lèi)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中涉及速度或方向的突然變化，需要承受高能量爆發(fā)和強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高重量會(huì)加劇這種影響。因此，需要簡(jiǎn)單、輕量化的結(jié)構(gòu)來(lái)提高機(jī)器人的可靠性。通過(guò)結(jié)合4D打印技術(shù)和生物功率放大機(jī)制，可以將機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、傳感與控制模塊高度集成于單一部件中并突破傳統(tǒng)4D打印結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)速度和力的限制，形成功能、結(jié)構(gòu)高度一體化的可控高機(jī)動(dòng)性系統(tǒng)，有效應(yīng)對(duì)了這一挑戰(zhàn)。

綜述涉及多種刺激響應(yīng)材料，包括形狀記憶合金（SMA）、形狀記憶聚合物（SMP）、液晶彈性體（LCE）、水凝膠以及軟磁彈性體等。通過(guò)光固化、熔融沉積、直寫(xiě)成型等增材工藝，將材料編程為具有刺激響應(yīng)特性的4D打印結(jié)構(gòu)。借鑒生物力學(xué)中的功率放大機(jī)制（如捕蠅草的快速閉合、跳蚤的跳躍），總結(jié)了現(xiàn)有的雙穩(wěn)態(tài)、閂鎖和無(wú)閂鎖這三類(lèi)功率放大結(jié)構(gòu)，通過(guò)熱、光、磁等外部刺激觸發(fā)機(jī)器人的高速運(yùn)動(dòng)。例如，利用SMA的雙穩(wěn)態(tài)薄殼結(jié)構(gòu)，在加熱后發(fā)生快速形態(tài)切換，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人跳躍至數(shù)十厘米高度。利用刺激響應(yīng)材料的可控功率放大行為，使得4D打印機(jī)器人突破驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)速度的限制，完成跳躍、彈射等高機(jī)動(dòng)性動(dòng)作?？捎糜谧有l(wèi)星分離、體內(nèi)醫(yī)療或播種等領(lǐng)域。

圖1. 4D打印高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人技術(shù)原理

圖2. 常見(jiàn)的增材制造技術(shù)原理

圖3. 基于自動(dòng)化增材制造的4D打印高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人

圖4. 基于手工逐層粘接的4D打印高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人

圖5. 4D打印驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖6. 生物學(xué)中的功率放大機(jī)制

圖7. 三種功率放大機(jī)器人結(jié)構(gòu)的跳躍過(guò)程

圖8. 雙穩(wěn)態(tài)4D打印高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖9. 基于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的4D打印高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人

圖10. 閂鎖結(jié)構(gòu)4D打印高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人的簡(jiǎn)化模型和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程

圖11. 基于閂鎖結(jié)構(gòu)的4D打印高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人

圖12. 基于無(wú)鎖結(jié)構(gòu)的4D打印高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人

圖13. 4D打印SMA高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人

圖14. 4D打印SMP高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人

圖15. 4D打印LCE高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人

圖16. 4D打印水凝膠高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人

圖17. 4D打印高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人的控制策略

圖18. 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式的控制策略

圖19. 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的控制策略

圖20. 機(jī)器人能量釋放強(qiáng)度的控制策略

圖21. 4D打印高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人未來(lái)展望

圖22. 4D打印高機(jī)動(dòng)機(jī)器人未來(lái)應(yīng)用展望