加州大學(xué)使用3D打印創(chuàng)建“類似于昆蟲”的軟機(jī)器人

來(lái)源：未知大陸

加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員已經(jīng)使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出了柔軟而靈活的行走“類昆蟲”機(jī)器人,。用于制造機(jī)器人的預(yù)算型增材制造技術(shù)可以降低3D打印軟機(jī)器人的入門成本，并為該技術(shù)在對(duì)人類不安全的地方(如災(zāi)難或戰(zhàn)爭(zhēng)地區(qū))打開新的應(yīng)用,。

“我們希望這些柔韌性骨架將引導(dǎo)創(chuàng)建一類新型的,、受生物啟發(fā)的軟機(jī)器人，”圣地亞哥加州大學(xué)雅各布工程學(xué)院的機(jī)械工程教授尼克·格拉維什說(shuō),。 “我們希望使全世界的研究人員更容易構(gòu)建軟機(jī)器人,。”

使3D打印軟機(jī)器人更容易使用
根據(jù)研究人員的說(shuō)法,，制造昆蟲機(jī)器人的主要挑戰(zhàn)之一是重建復(fù)雜的外骨骼結(jié)構(gòu)力學(xué),。外殼需要提供多種功能，包括結(jié)構(gòu)支撐,、關(guān)節(jié)靈活性和身體保護(hù),，同時(shí)提供傳感,、抓取和附著的功能表面特征。

圣地亞哥的研究小組觀察到,，昆蟲四肢的活動(dòng)能力是由剛性,、柔性和梯度剛度元素的排列決定的，而昆蟲的外骨骼是剛性和柔性機(jī)械部件的混合結(jié)構(gòu),。因此,，未來(lái)的迭代需要一種混合的構(gòu)建方法，以便更好地反映它們所基于的昆蟲模型,。

以前創(chuàng)建昆蟲靈感機(jī)器人的嘗試需要使用多材質(zhì)3D打印機(jī)和多步鑄造過(guò)程,。例如，羅切斯特大學(xué)（University of Rochester）的科學(xué)家在2015年創(chuàng)造了以水騎手為靈感的跳躍性機(jī)器人昆蟲,。不過(guò),，根據(jù)圣地亞哥研究人員的說(shuō)法，這種受生物啟發(fā)的機(jī)器人看上去更像是剛性的工業(yè)機(jī)器人,，包括僵硬的鏈接和剛性高傳動(dòng)比的電動(dòng)機(jī),。最近，機(jī)器人專家開始使用多材料3D打印,，激光切割,，層壓和壓鑄法，將身體和四肢的適應(yīng)性納入機(jī)器人設(shè)計(jì)中,。這些制造技術(shù)也有缺點(diǎn),，因?yàn)樗鼈兺ǔＲ垣@取昂貴且耗時(shí)的制造工具為代價(jià)，這些工具提供了有限的材料選擇,。

為了使他們能夠以更節(jié)省成本的方式3D打印柔性和彈性外骨骼,，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新穎的混合方法，稱為彈性骨骼打印,。使用熔融沉積建模（FDM）3D打印機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)絲材料（例如丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS））使該方法更便宜且更易于使用,。此外，新技術(shù)不同于傳統(tǒng)方法,，而是通過(guò)將3D剛性細(xì)絲直接打印到加熱的熱塑性薄膜上,，來(lái)制造軟機(jī)器人。這種方法為沉積的材料提供了靈活而堅(jiān)固的基礎(chǔ)層,，并能夠精確控制機(jī)器人體內(nèi)關(guān)節(jié)和支桿的剛度和特性,。

柔性骨架的制造技術(shù)受到昆蟲外殼的啟發(fā)

增材制造“類昆蟲”軟機(jī)器人
在標(biāo)準(zhǔn)FDM 打印中，塑料絲（例如ABS或聚乳酸（PLA））通過(guò)加熱噴嘴的孔口擠出,，并沉積在平坦的打印表面上,。另一方面，柔性骨架工藝使用改良的Prusa i3 MK3S或LulzBot Taz 6 FDM 3D打印機(jī),，將長(zhǎng)絲直接沉積到加熱的熱塑性基礎(chǔ)層上,。這導(dǎo)致沉積材料與不可延伸的柔性基材之間的高粘結(jié)強(qiáng)度,，從而提高了抗疲勞性。柔性骨架打印的粘合過(guò)程也不需要額外的粘合劑或固化劑,，因?yàn)殚L(zhǎng)絲在擠出過(guò)程中直接粘合到基礎(chǔ)層上,。

為了測(cè)試所生產(chǎn)組件的強(qiáng)度和抗疲勞性，該團(tuán)隊(duì)制造了具有均勻矩形幾何形狀的柔性梁,。將每個(gè)梁彎曲到恒定應(yīng)力狀態(tài),，并保持該位置10秒鐘，以模擬機(jī)器人腿彎曲并固定在適當(dāng)位置以支撐載荷的情況,。然后,，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)拍攝未加載光束偏轉(zhuǎn)角的圖像來(lái)測(cè)量光束的蠕變角，該圖像是在測(cè)試前從中立位置測(cè)量的,。通過(guò)添加聚碳酸酯（PC）層,，圣地亞哥的研究人員發(fā)現(xiàn)，他們能夠在300個(gè)負(fù)載循環(huán)周期內(nèi)將3D打印光束的蠕變變形降低70％,。

為了演示使用撓性骨骼生產(chǎn)方法生產(chǎn)的機(jī)器人的行走能力,，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)由腱驅(qū)動(dòng)的四足步行機(jī)器人。該機(jī)器人的底盤由全柔性骨骼生產(chǎn)的四肢設(shè)計(jì)和組裝,，由四個(gè)微型伺服器驅(qū)動(dòng),。兩條腿的長(zhǎng)度為70毫米，每條腿花費(fèi)30分鐘進(jìn)行3D打印,，并具有兩個(gè)關(guān)節(jié)：一個(gè)彎曲和一個(gè)伸展,。整個(gè)機(jī)器人生產(chǎn)完成（大約需要三個(gè)小時(shí)）后，將每個(gè)肢體插入到機(jī)器人底盤（主體）中,，并通過(guò)一根腱和絞盤與一個(gè)微型伺服器連接,。最終產(chǎn)品具有可互換的支腿，這些支腿針對(duì)不同的地形而設(shè)計(jì),，并且在測(cè)試過(guò)程中,，完成的機(jī)器人可以達(dá)到每秒近5厘米的速度。

flexoskelton機(jī)器人的外部結(jié)構(gòu)不僅可以保護(hù)其內(nèi)部組件,，而且可以混合使用軟和剛性組件,，從而可以以復(fù)雜的3D布置進(jìn)行生產(chǎn)。根據(jù)Gravish的說(shuō)法,，用于創(chuàng)建機(jī)器人的創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)可能允許生產(chǎn)用于工廠環(huán)境的新型多功能機(jī)器人,。

“最終目標(biāo)是創(chuàng)建一條無(wú)需手工組裝即可打印整個(gè)柔性骨架機(jī)器人的裝配線,。一小群這樣的小型機(jī)器人可以獨(dú)自完成一個(gè)大型機(jī)器人的工作,，甚至更多�,！� Gravish說(shuō),。

柔性骨架機(jī)器人的構(gòu)建過(guò)程

3D打印中的軟機(jī)器人
近年來(lái),，對(duì)軟機(jī)器人的增材制造的研究采取了多種形式。例如,，在2020年1月,，康奈爾大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種3D打印的軟機(jī)器人肌肉，能夠“排汗”,。使用基于水凝膠的復(fù)合樹脂和立體平版印刷術(shù)（SLA）,，生產(chǎn)出可以保留水并響應(yīng)溫度的柔軟的手指狀致動(dòng)器。

2019年8月,，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）的研究人員創(chuàng)建了多色3D打印傳感器,，以幫助軟機(jī)器人提高自我意識(shí)和適應(yīng)性。通過(guò)創(chuàng)新一種靈活的嵌入式3D打印傳感方法,，研究人員增加了機(jī)器人與物體之間的相互作用,。

兩位NASA研究人員宣布，他們已在3D打印中使用了3D打印技術(shù),，從而在2019年5月生產(chǎn)出了一個(gè)軟機(jī)器人致動(dòng)器,。該新組件負(fù)責(zé)為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部件提供動(dòng)畫和控制功能，代表了將軟機(jī)器人技術(shù)帶入太空的重要一步,。