3D打印人造肌肉實現(xiàn)新突破,，可以輕松舉起自身重量的1000倍

來源：世界先進制造技術(shù)論壇

意大利理工學(xué)院（IIT）的研究人員，利用3D打印技術(shù),，開發(fā)了一種新的機械手,，該團隊宣稱，使用SLA 3D工藝制造的人工肌肉,，更具備仿生能力。

△IIT研究人員的機械手,，配有3D打印的GRACE執(zhí)行器

這個栩栩如生的肢體,，由一系列可收縮和拉長執(zhí)行器組成，或者可以稱它為 "GRACES ",。這些執(zhí)行器由樹脂膜3D打印而成,，可以像肌肉一樣拉伸和收縮。這些微小的執(zhí)行器僅重8克,，可以舉起自身重量的1000倍,，當集成到一個機器人手時，它們具備人類手指一樣的功能，如彎曲,、扭轉(zhuǎn)手掌和轉(zhuǎn)動手腕的能力,。

△研究結(jié)果發(fā)表截圖

基于3D打印的生物仿生技術(shù)

自然界充滿了對動物和植物仿生學(xué)研究的例子，這對材料科學(xué)家和工程師來說仍然是一種啟發(fā),。為了在人工結(jié)構(gòu)和機器人中重現(xiàn)這些特性,，研究人員經(jīng)常求助于3D打印，并在這樣做的過程中,，完成了一些令人印象深刻的生物模仿,。

△墨魚骨骼布局的SEM和顯微CT圖像

在浙江大學(xué)，科學(xué)家們根據(jù)墨魚的啟發(fā),，利用3D打印技術(shù),，模仿海洋生物獨特的能量吸收能力。事實上,，該團隊的早期模型具備超強的耐壓能力,，以至于它們能夠承受高達其自身重量2萬倍的壓力。同樣,，中國臺灣省科技大學(xué)的工程師們,，已經(jīng)用FDM 3D打印了海膽殼狀格子，而不需要任何支撐材料,。

在其他地方,，在軟體機器人的生物模仿嘗試中，研究人員已經(jīng)部署了,，能夠?qū)⒛芰亢碗娦盘栟D(zhuǎn)換為運動的執(zhí)行器,，以創(chuàng)造具有逼真動作的機器人。而中國的科學(xué)家通過3D打印軟性機器人手指,，向肢體生產(chǎn)邁進,。

通過有效地結(jié)合這些方法，IIT團隊說,，未來有可能3D打印出,，足夠強大和靈活的軟執(zhí)行器，以有效地 "與自然和社會環(huán)境相結(jié)合",，應(yīng)用范圍從生物多樣性保護,，再到老年人日常護理。因此,，該團隊認為,，他們的機器人手原型，是朝著使這種設(shè)備更容易創(chuàng)造的方向邁出的第一步,。

△從FEM模擬中,，獲得的GRACE應(yīng)變分布結(jié)果

開發(fā)具有GRACE功能的機械手

根據(jù)IIT研究人員的說法，人工執(zhí)行器現(xiàn)已達到發(fā)展過程中一個重要的階段，它們能夠?qū)崿F(xiàn)與生物肌肉相同的收縮性能,。然而,，在他們的論文中，該團隊補充說,，以往的技術(shù)所面臨的問題,，很難再現(xiàn)由人體內(nèi)部復(fù)雜的肌肉排列，所帶來的 "運動的多樣性和優(yōu)雅",。

為了解決這個問題,，該團隊設(shè)計出了，由單一材料褶皺膜組成的GRACE人工肌肉,，它們,，從頭到尾都是利用數(shù)學(xué)模型來收縮和伸展。因此,，執(zhí)行器能夠按照預(yù)期執(zhí)行,，而無需集成應(yīng)變限制元素。

△Form 3L（左）和 Form 3（右）3D打印機

通過Formlabs Form 3D打印設(shè)備,，使得研究人員,，能夠?qū)Ⅰ薨櫦�成到設(shè)備的膜上，它們具備折疊和展開功能,，同時,，賦予了它們，能夠承受反復(fù)變形所需的靈活性和強度,。在實踐中,，該團隊宣稱，這些3D打印手機經(jīng)過測試,，可以舉起越來越重的物品,，無論是單獨還是分組。

△該團隊的光彈性測試裝置

事實證明,，根據(jù)用于制造這些設(shè)備的材料的參數(shù),，它們能夠舉起比自身重幾個數(shù)量級的物體。在一個案例中,，8克的GRACE原型模型,，甚至能夠舉起8公斤的重量，這使得科學(xué)家們重新認識到,，它們可以作為仿真肌肉和身體部位的一種潛在手段。

為了測試這一理論,，研究人員選擇連接18個不同大小的執(zhí)行器,，來創(chuàng)建一個機器人手和手腕。通過對每個3D打印膜施加壓力，他們發(fā)現(xiàn)可以用類似人類的動作,，和效率來操作這只手,。在成功測試了他們的方法后，該團隊說,，它證明了在單一生產(chǎn)步驟中,，3D打印功能性肌肉的可能性。

"GRACE可以通過低成本的3D打印方式來制造,，甚至可以直接在功能性設(shè)備中制造出來,，比如，只需一步就能完成3D打印的氣動假肢,�,！薄斑@使得基于氣動人工肌肉的原型設(shè)計和制造更快、更直接,�,！�