3D打印軟機(jī)器人再登《Advanced Materials》

導(dǎo)讀：還記得全3D打印流體電路軟機(jī)器烏龜以及會玩馬里奧的機(jī)器手么（詳情請參考：全3D打印流體電路軟機(jī)器人,，美國馬里蘭大學(xué)《Science Advances》）？如果不記得的話,，那么新的3D打印軟機(jī)器鰩魚可以了解一下,！

南極熊獲悉，華盛頓州立大學(xué),、新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)和科羅拉多大學(xué)丹佛分校學(xué)者們提出了一種設(shè)計(jì)和直接制造新型軟復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法,，利用計(jì)算拓?fù)鋬?yōu)化以及彈性有機(jī)硅聚合物制造軟復(fù)合結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)將這種方法結(jié)合仿生設(shè)計(jì)制造了一種鰩魚形態(tài)的軟機(jī)器人,，并模擬游泳狀態(tài),。

△軟復(fù)合材料,。A) 剛性基質(zhì)中軟纖維狀的E3DP以調(diào)整機(jī)械性能：嵌入儲層（材料 2）中的短纖維狀陣列（材料 2）有助于調(diào)整復(fù)合結(jié)構(gòu)的拉伸性能,。B) 軟復(fù)合材料的測試樣品,。C) 復(fù)合材料樣品及其單個組件拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,。

材料和結(jié)構(gòu)在軟機(jī)器人性能方面起著關(guān)鍵作用，然而,，當(dāng)前的設(shè)計(jì)和制造方法在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能上存在一定的限制,，并阻礙了軟機(jī)器人的性能。在本篇論文里,，研究團(tuán)隊(duì)將拓?fù)鋬?yōu)化（TO）與增材制造相結(jié)合,，受到鰩魚啟發(fā)制造軟機(jī)器人，并利用鰭的水下運(yùn)動作為實(shí)驗(yàn)工具針對運(yùn)動學(xué)進(jìn)行研究,。

△制作軟蝙蝠形機(jī)器人。A) 機(jī)器人本體使用FFF制造,。B) 內(nèi)部組件（例如,，制動器、傳感器,、電池等）,，分配器將主體基質(zhì)材料沉積在模具內(nèi)部。C) 精密分配器將最佳圖案嵌入彈性體墨水,。D) 將具有各向同性材料的各種墨水嵌入各向同性基體材料中,。E) 鰭打�,。和ㄟ^DIW沉積鰭水庫。F) 鰭片打�,。簭�(fù)合纖維E3DP,。G) 復(fù)合翅片。H) 成品軟鰩魚機(jī)器人復(fù)合鰭,。I) 各向同性硬鰭,。J) 優(yōu)化的復(fù)合鰭。

團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了市售的多用途3軸運(yùn)動控制3D打印機(jī)（System 30M,，Hyrel Inc.）,，以及一個可容納多達(dá)四個打印頭的托架工具。FFF制造工藝使用廠商配置打印頭（MK1-250,，Hyrel Inc）,，而流體分配使用氣動流體分配系統(tǒng)（Ultimus V，Nordson EFD）與通過定制適配器連接到3D打印機(jī)的針頭和注射器,。G代碼使用開源Slic3r包的定制版本,，從CAD數(shù)據(jù)自動生成，并針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)對核心包進(jìn)行了大量修改,。拓?fù)鋬?yōu)化被用于設(shè)計(jì)具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)合軟鰭,，通過微調(diào)模擬鰭的振蕩行為。這種軟機(jī)器人在設(shè)計(jì)和制造的兩個關(guān)鍵步驟實(shí)現(xiàn)自動化：i) 使用TO的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和 ii) 在單個制造中心制造復(fù)雜結(jié)構(gòu),，這極大地促進(jìn)了定制能力軟機(jī)器人制造的發(fā)展,。

△軟機(jī)器人設(shè)計(jì)與拓?fù)鋬?yōu)化,。A)機(jī)器人組件：兩個伺服驅(qū)動的襟翼激發(fā)胸鰭振動,。內(nèi)部微控制器單元、可充電電池和感應(yīng)充電單元可實(shí)現(xiàn)完全自主,。B) 類鰩魚鰭運(yùn)動學(xué)和相關(guān)參數(shù),。 C) 大胸鰭（淺灰色）模型。黑色鰭區(qū)域表示嵌入的擋板位置,，紅色邊緣是固定的,，藍(lán)色和綠色邊緣代表鰭的自由邊界。D)不同材料區(qū)域的初始和優(yōu)化設(shè)計(jì),，以及通過短黑線表示的最佳纖維方向,。E) 優(yōu)化目標(biāo)z，相對于初始誤差與迭代次數(shù)進(jìn)行歸一化,。F) 從模擬（黑色曲線）和實(shí)驗(yàn)（藍(lán)色曲線）與目標(biāo)運(yùn)動學(xué)（紅色曲線）獲得的最佳設(shè)計(jì)的同相（實(shí)線）和異相（虛線）偏轉(zhuǎn)的比較,。G）從模擬獲得的不同時間的最佳翅片設(shè)計(jì)的跨度（即（C）中的藍(lán)色邊緣）撓度，H）從實(shí)驗(yàn)獲得的跨度翅片撓度,。

軟機(jī)器鰩魚具有大鰭,，可以像真的生物行為一樣運(yùn)動,，通過推進(jìn)器（鰭）的變化會對機(jī)動性和推進(jìn)力產(chǎn)生顯著影響。每個軟鰭具有一個柔性擋板,，由伺服電機(jī)驅(qū)動,，用于激發(fā)鰭振蕩。機(jī)器人配備觸發(fā)板載ArduinoUno微控制器,，并由可充電鋰電池供電,。模型長180毫米，具有中等浮力,，并使用鉑催化有機(jī)硅聚合物完全封裝,。

△軟機(jī)器人性能表征的實(shí)驗(yàn)裝置,。A) 三個鰭片（鰭片A,、鰭片D和復(fù)合鰭片）在下劃結(jié)束時的側(cè)視圖快照。B) 長120厘米,、寬120厘米,、深70厘米的鋼化玻璃水箱。C) 力和扭矩測量實(shí)驗(yàn)裝置的細(xì)節(jié),。D) 有效波長,。

與傳統(tǒng)軟機(jī)器人制造方法相比，本研究中提出的集成制造工藝能夠以更少的人工干預(yù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化材料特性分布,，在新的復(fù)雜度水平上產(chǎn)生所需的身體運(yùn)動學(xué),。通過將自動化材料混合過程納入制造，消除手動步驟,，例如工具更換和材料重新填充,。進(jìn)一步的工作可以通過更集成的方式為E3DP刀具路徑自動生成G代碼，并帶有線框或類似矢量的打印移動（具有方向性）,。另外，還可以將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為刀具路徑和機(jī)器控制程序,，以及提高分辨率增加纖維密度,，完善鰭片并實(shí)現(xiàn)自動化。

參考文獻(xiàn)：Boddeti, N., Van Truong, T.,Joseph, V., Stalin, T., Calais, T., Lee, S., Dunn, M. and Valdivia y Alvarado,P., 2021. Optimal Soft Composites for Under‐Actuated Soft Robots. AdvancedMaterials Technologies, p.2100361.

文獻(xiàn)地址：https://doi.org/10.1002/admt.202100361