全3D打印流體電路軟機器人,，美國馬里蘭大學(xué)《Science Advances》

導(dǎo)讀：提到機器人時,，人們通常會想到許多類似星球大戰(zhàn)等電影中C-3PO之類的形象,。但在過去10年里,，軟機器人的概念出現(xiàn)了,。這種機器人使用空氣或水等流體，以及柔軟,、靈活的材料。與傳統(tǒng)硬機器人不同,，軟機器人具有人機交互的安全性,，還能進行改造，例如抓住小巧物體或具有復(fù)雜幾何形狀之類的東西,。

美國馬里蘭大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校,、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)學(xué)者利用PolyJet這種3D打印方法，在單次打印中制造包含完全集成流體電路的軟機器人,。這種機器人利用新型3D流體電路元件（例如,，流體二極管、“常閉”晶體管和具有幾何可調(diào)壓力增益功能的“常開”晶體管）來響應(yīng)流體傳統(tǒng)電子信號,，包括“直流 (DC)”,、“交流(AC)”，還可以通過預(yù)編程（“可變電流”）進行狀態(tài)調(diào)節(jié),。

△PolyJet 3D打印軟機器人系統(tǒng)，在單次打印中集成流體電路,。( A ) 模塊化3D CAD模型和流體電路元件,、流體互連、軟致動器和結(jié)構(gòu)外殼的類似電子電路符號,。（B）具有完全集成的流體振蕩器電路的統(tǒng)一軟機器人的CAD模型和相應(yīng)的模擬電路圖,。(C ) 使用彈性（黑色）、剛性（白色）和水溶性支撐（黃色）材料多材料PolyJet 3D打印軟機器人的概念圖,。( D ) PolyJet 3D打印過程的順序延時圖像,。比例尺，5厘米,。( E和F) 在去除支撐材料之前和之后(F) 具有集成流體電路 (E) 的統(tǒng)一多材料軟機器人的制造結(jié)果,。比例尺，2厘米,。圖片來源：Ruben Acevedo,，馬里蘭大學(xué)帕克分校。

研究團隊使用了Stratasys的PolyJet3D 打印機Objet500 Connex3,，以及SolidWorks軟件建模所有流體回路元件,、軟執(zhí)行器,、端口和集成軟機器人系統(tǒng)。并使用了3種Stratasys生產(chǎn)的材料進行打印工作：

• MED610：剛性光塑材料
• Agilus30：彈性光聚合物材料
• SUP706：水溶性犧牲支撐材料
  

△基于恒流的軟體機器龜?shù)墓ぷ髟�理和實驗結(jié)果,。（A到F）軟機器人的概念圖，集成的流體振蕩器電路,，以及對應(yīng)于基于恒流輸入條件的六個主要狀態(tài)的模擬電路圖,。(G ) 在具有代表性的操作期間，在恒定流量條件 (10 ml/min) 下軟機器人功能的實驗結(jié)果,。比例尺,，3厘米。圖片來源：Ruben Acevedo,，馬里蘭大學(xué)帕克分校,。（H）在恒定流量條件下（10 毫升/分鐘），每個軟驅(qū)動肢體的歸一化垂直變形隨時間的量化實驗結(jié)果,。藍色,，左肢；紅色,，右肢,。au，任意單位,。

受到仿生學(xué)的啟發(fā),，團隊以烏龜為模本制造了3種具有不同集成流體電路的軟機器人，并對它們的操作性能進行研究,。針對不同傳統(tǒng)電信號,，這些流體電路軟機器人可分為以下三類：

• 在恒流 [“直流(DC)”] 輸入條件下為軟肢產(chǎn)生周期性、異相驅(qū)動
• 利用不同壓力增益特性的嵌入式流體晶體管,，在正弦 [“交流電 (AC)”] 流體輸入條件下產(chǎn)生周期性游泳運動
• 利用單個預(yù)編程非周期性（“可變電流”）壓力輸入,，通關(guān)“超級馬里奧兄弟”第一關(guān)的彈性機械手
  

△基于正弦輸入的軟體機器人烏龜?shù)墓ぷ髟�理和實驗結(jié)果,。（A到D）基于正弦輸入條件和恒定輸入的四種主要狀態(tài)的概念圖和模擬電路圖,。 (E ) 制造結(jié)果。比例尺,，2 厘米,。圖片來源：Ruben Acevedo，馬里蘭大學(xué)帕克分校,。（F）軟執(zhí)行器相關(guān)的鰭狀肢位移的實驗結(jié)果,。(G)在恒定輸入和以0.1 Hz 的頻率從 0 到 80 kPa 振蕩的正弦輸入下的鰭狀肢位移路徑的 DIC 處理實驗結(jié)果。藍色和紅色分別表示與通貨膨脹和通貨緊縮相關(guān)的位移周期,。

在團隊創(chuàng)建的軟機器人中,，研究人員認為基于恒流的軟機器人烏龜最適合作為比較使用不同流體回路的軟機器人參考模板,，它的振蕩行為也與其他相關(guān)文獻報道行為一致。針對機械手,，團隊成功利用特殊的流體晶體管實現(xiàn)手指運動控制,。通過壓力的變化，手指會進行不同運動,，從而操作游戲控制器按鈕,。有趣的是，研究人員利用這一特點并使用編程控制,，完成了實時游戲操作,，成功通關(guān)超級馬里奧兄弟第一關(guān)。

△具有集成流體電路的預(yù)編程,、基于非周期性流體輸入的軟機械手的概念和結(jié)果,。（A到D）基于不同幅度的四種主要狀態(tài)的概念圖和模擬電路圖。（E和F）軟機器人手指實驗結(jié)果,。比例尺,，2 厘米。圖片來源：馬里蘭大學(xué)帕克分校的Kristen M. Edwards,、Jennifer Landry 和Ryan D. Sochol,。（G）軟機器人手指-流體晶體管系統(tǒng)。誤差帶表示 SD,。( H ) PolyJet 3D打印過程的順序延時圖像,。比例尺，2 厘米,。圖片來源：Joshua D.Hubbard,，馬里蘭大學(xué)帕克分校。（I）制作結(jié)果,。比例尺,，2厘米。照片來源：馬里蘭大學(xué)帕克分校的 Joshua D. Hubbard 和Kristen M. Edwards,。( J）完成響應(yīng)預(yù)編程實時超級馬里奧兄弟視頻游戲的第一關(guān)實驗結(jié)果,。標注包括控制器激活狀態(tài)、游戲狀態(tài)和使用控制器的軟機械手圖像,，對應(yīng)于演示時間點,。照片來源：馬里蘭大學(xué)帕克分校的Joshua D. Hubbard、Ruben Acevedo 和Kristen M. Edwards,。

研究結(jié)果表明,，流體電路可以成為一種強大的手段來增強軟機器人的自主性,，進而減少和/或消除與傳統(tǒng)流體控制方案相關(guān)的束縛，而3D打印也被證明能夠?qū)崿F(xiàn)在單次打印中制造具有完全集成流體電路的軟機器人系統(tǒng),。同時,，自動化PolyJet3D打印工藝可以在制造方面減少人為制造產(chǎn)生的誤差。另外,，3D打印技術(shù)的使用加深了研究人員對軟機器人領(lǐng)域的探索,，從而為跨學(xué)科背景的研究設(shè)計提供了一條新途徑。

參考文獻：Hubbard, J., Acevedo, R.,Edwards, K., Alsharhan, A., Wen, Z., Landry, J., Wang, K., Schaffer, S. and Sochol, R., 2021. Fully 3D-printed soft robots with integrated fluidiccircuitry. Science Advances, 7(29), p.eabe5257.

文獻地址：https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257