3D打印仿生人工肌肉--優(yōu)雅的“GRACE”,，一種基于幾何結(jié)構(gòu)來收縮和伸長的軟體驅(qū)動器

來源：EngineeringForLife

盡管人工驅(qū)動器已經(jīng)達到了肌肉的收縮性能,，但肌肉的復(fù)雜排列所實現(xiàn)的運動的多樣性和優(yōu)雅性在很大程度上仍然是無可比擬的。傳統(tǒng)的氣動人工肌肉（PAMs）受限于組裝的元件,，本質(zhì)上阻礙了小型化,、非紡錘形結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，不利于廣泛定制和應(yīng)用人工肌肉技術(shù),。

近日,，意大利理工學(xué)院的Barbara Mazzolai團隊開發(fā)了一種褶皺引導(dǎo)變形的氣動人工肌肉，命名為基于幾何結(jié)構(gòu)來收縮和伸長的驅(qū)動器（GRACE）,。GRACEs由單一材料的褶皺膜組成,，不需要任何限制應(yīng)變的元件。它們可以在不同的維度,、材料及性能下,，通過設(shè)計進行收縮和伸長，從而實現(xiàn)各種栩栩如生的運動,。GRACEs可以通過低成本增材制造來制備,，甚至可以直接一步構(gòu)建功能設(shè)備，例如一個完全3D打印的氣動機器人手（movie 1）,。這使得基于氣動人工肌肉的設(shè)備,，原型設(shè)計和產(chǎn)品制造更快、更直接,。相關(guān)工作以“3D-printed biomimetic artificial muscles using soft actuators that contract and elongate”為題,，于2022年7月27日發(fā)表在《Science Robotic》上。

1. GRACE人工肌肉

圖1 GRACE人工肌肉的概念

GRACEs是高效,、方便和通用的人工肌肉（圖1）,。GRACE由一個曲線形狀的薄殼組成，兩端變窄,，具有縱向工程褶皺,。加壓時，驅(qū)動器隨著褶皺的展開,，徑向膨脹。減壓時,，褶皺折疊,，導(dǎo)致徑向收縮而縱向伸長。在GRACEs中,，褶皺的曲線輪廓和整個驅(qū)動器的形狀是關(guān)鍵,。GRACEs的功能實現(xiàn)：驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的低應(yīng)變幾何轉(zhuǎn)換。

圖2 GRACE肌肉具有可調(diào)節(jié)的力輸出和可擴展的尺寸

GRACEs表現(xiàn)出30%以上的沖程,，負載/重量比可高達數(shù)千,。通過設(shè)計最大限度的收縮,、伸長或拮抗，利用不同的材料,，可采用各種規(guī)模的低成本3D打印,，也可內(nèi)置在復(fù)雜設(shè)備中，實現(xiàn)復(fù)雜多樣的運動（圖2）,。

2. 幾何模型的建立

圖3 GRACE多參數(shù)模型

首先,，研究者通過純幾何學(xué)的方法，建立相應(yīng)的幾何模型,，來研究褶皺的形狀如何影響GRACE的行為,。窄而深的褶皺可以促進收縮（GRACE-C），寬而淺的褶皺可以促進伸長（GRACE-E）,，而收縮和伸長均表現(xiàn)良好的褶皺拮抗性最好（GRACE-A）,。通過有限元分析，確定合適的壁厚和材料,。結(jié)構(gòu)表明,，只要使用更硬的材料或更厚的膜壁，就可以增加GRACEs的工作壓力范圍和由此產(chǎn)生的輸出力,。（圖3）

3. 驅(qū)動性能的表征

圖4 GRACE肌肉的表征和耐久性

接著,，根據(jù)幾何模型的模擬結(jié)果，研究者通過低成本桌面3D打印機和商業(yè)材料直接打印了不同的GRACE,，并研究了其驅(qū)動性能（圖4）,。與骨骼肌相比，GRACEs表現(xiàn)出類似的變形和較低的力,。本文所采用的打印材料具有光彈性,，能夠在驅(qū)動過程中，捕捉到物體應(yīng)力應(yīng)變分布產(chǎn)生的條紋圖案,，直觀觀察到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中是否有應(yīng)力殘余,，有利于研究GRACEs的制備工藝。1000次耐久性測試,，均未觀察到明顯的損壞或永久形變,，表明GRACEs能夠輕松承受多個驅(qū)動周期。

4. 基于GRACE的“機器人手”

圖5 基于GRACE的“氣動機器人手”

  
最后,，為了展示GRACE卓越的多功能性,，研究者3D打印了一個完整的基于GRACE的氣動機器人手（圖5）。通過將GRACE進行串聯(lián),、并聯(lián),、對立配置、變換尺寸或是直接嵌入來展示各種平滑運動。該機器人手通過單一材料直接3D打印整體結(jié)構(gòu),，無需組裝,，可隨時氣動驅(qū)動。

綜上,，與最先進的PAMs相比,，GRACE的通用性更高，可設(shè)計性更強,，可以一步到位地制造具有復(fù)雜驅(qū)動結(jié)構(gòu)的設(shè)備,，實現(xiàn)仿生運動。GRACEs的開發(fā)過程包括：建模,、基于有限元分析的細化,、增材制造，適合自動化大規(guī)模定制,，允許根據(jù)需求直接生產(chǎn)不同的GRACEs,。任何擁有桌面3D打印機的人都可以輕易開發(fā)基于GRACE的設(shè)計和設(shè)備。在未來的研究中,，作者將進一步利用GRACEs來模仿動物王國中肌肉的排列變化,，以實現(xiàn)生物啟發(fā)機器的開發(fā)。

文章來源：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abn4155