普林斯頓大學艾蜜莉·戴維森教授與格勞西奧·保利諾教授帶領團隊，用一臺定制3D打印機造出一種能反復運動且不易磨損的軟體機器人。他們把可打印的液晶彈性體、柔性電子元件和折紙折疊技術揉在一起，成果發(fā)表在《先進功能材料》期刊上。

演示用的機器人是一只紙鶴造型的軟體鳥，通電后翅膀就能扇動。這種運動不靠電機驅(qū)動，而是靠聚合物內(nèi)部受控加熱來實現(xiàn)。系統(tǒng)能按預設程序精準運動，反復折疊后依然保持原狀，沒有磨損或變形。

液晶彈性體分子定向排列決定折疊路徑

打印過程從熔融聚合物開始，戴維森定制的3D打印機將材料按圖案分區(qū)打印。雖然材料柔軟，但內(nèi)部是液晶彈性體，分子結(jié)構有序排列。打印機在打印時調(diào)整分子取向，讓每個分區(qū)分子排列一致。把這些分區(qū)堆疊拼接，就能在材料里造出“鉸鏈”，加熱時按預設方式彎曲。

打印過程中，團隊還把柔性電路板直接嵌入材料鉸鏈處。柔性電路板結(jié)構讓電路能隨材料一體成型，不用單獨安裝。戴維森指出，關鍵突破在于把3D打印液晶彈性體與可量產(chǎn)的印刷電路板整合，協(xié)同設計彈性體鉸鏈與柔性電路板，讓這類軟硬結(jié)合機器人的制造和控制變得可行。

嵌入電路板后，團隊能精準加熱聚合物特定區(qū)域，配合內(nèi)置溫度傳感器實現(xiàn)閉環(huán)控制。加熱讓精心設計的聚合物按預設方式收縮，觸發(fā)鉸鏈處折疊。為確保只在鉸鏈處折疊，團隊還在柔性電路板與聚合物鉸鏈間加入輕質(zhì)玻璃纖維板。運動控制數(shù)學模型源自折紙規(guī)律，通過折疊與展開系統(tǒng)指揮機器人動作。

閉環(huán)溫控算法修正形變誤差提升耐用性

保利諾強調(diào)，控制軟件內(nèi)置溫度傳感器能實時補償機器人反復形變產(chǎn)生的微小誤差，這是軟體機器人耐用的關鍵。除了驗證系統(tǒng)可行性，團隊還開發(fā)了軟件工具，設計師可據(jù)此自定義機器人，工具已開源并附在論文數(shù)據(jù)集中。

美國柔性機器人領域近年聚焦無電機驅(qū)動方案，這類技術能降低系統(tǒng)復雜度與重量，特別適合醫(yī)療、巡檢等場景。中國柔性制造正從傳統(tǒng)剛性結(jié)構向智能軟體轉(zhuǎn)型，這種無需電機、靠材料本征特性運動的方案，為國產(chǎn)柔性執(zhí)行器提供了新參考路徑。