西湖大學開發(fā)軟體機器人復合增強執(zhí)行器的新型打印方法

2024年1月15日，南極熊獲悉,，來自西湖大學的研究人員提出了一種多材料嵌入式打印方法（ME3P）,，用于制造軟機器人中使用的復合材料增強執(zhí)行器（CRA）。與其他3D打印方法相比,，新方法大大提高了制造靈活性，允許可編程響應,，并且可用于復雜的軟機器人,。

相關研究以題為“Multimaterial Embedded 3D Printingof Composite Reinforced Soft Actuators”的論文被發(fā)表在《Research》期刊上。

論文鏈接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0122

不同于傳統(tǒng)的剛性機器人,，軟體機器人因其優(yōu)異的機械順應性,，在精密物體操縱、安全人機交互以及用于診斷和手術的醫(yī)療機器人等領域的應用引起了極大的關注,，成為了國際機器人界的熱點研究方向,。在不同類型的軟執(zhí)行器中，軟氣動執(zhí)行器（SPA）在高工作負載,、優(yōu)異的可逆性和可控性以及較快的驅(qū)動速度方面具有強大的優(yōu)勢,。其中，軟復合材料增強執(zhí)行器（CRA）因其結(jié)構(gòu)簡單,、可控性高而得到廣泛應用,。然而，多步成型這種耗時的方法仍然是主要的制造方法,。

在這項工作中,，研究人員首次提出了一種用于 CRA 的新型多材料嵌入式 3D 打印 (ME3P) 方法,，該方法能夠整體設計和制造具有內(nèi)部通道的任意形狀的復雜執(zhí)行器主體，以及復雜增強材料的輕松圖案化致動器表面上的材料,。

用于打印執(zhí)行器主體的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1A所示,。研究人員通過 2 步過程打印了氣動花朵狀樣品：首先，使用軟墨水打印花朵基質(zhì)中帶有空氣通道的花瓣（圖S1）,；其次,，將硬墨水共形地印刷在花瓣的兩側(cè)，以控制膨脹時形狀的變形,。添加旋轉(zhuǎn)軸（U 軸）以在花瓣表面打印堅硬的加固圖案,。步驟2中的噴嘴尖端彎曲至90°，以確保其在打印位置垂直于花瓣表面（圖1A和B）,。為了成功的嵌入打印,，油墨的儲能模量應比基體材料的儲能模量高1或2個數(shù)量級（圖1C）。在本研究中,，選擇卡波姆凝膠作為基質(zhì)材料,，其流變特性已在我們之前的工作中進行了研究。固化花的綻放與設計目標一致,，表明打印的硬圖案具有良好的增強性能（圖1D和電影S2）,。接下來，展示了一種全向彎曲執(zhí)行器,，其特點是具有 3 個獨立內(nèi)部通道的軟圓柱形充氣體（圖1F,，左）。隨后,，以相對于圓柱體的軸向方向±20°的交叉角打印硬質(zhì)增強編織物,，以限制其徑向膨脹。3個通道的壓力由3個獨立的氣源控制,。圖1F展示了其全向彎曲運動的能力,。

圖1 用于軟復合執(zhí)行器和機器人的多材料嵌入式打印概述

圖2 .硬油墨和軟油墨的流變學和機械性能

圖3 .嵌入式 3D 打印流程的優(yōu)化

圖4 .執(zhí)行器和形狀變形結(jié)構(gòu)的可編程響應

圖5 用于點位置任務的串聯(lián)執(zhí)行器的逆向設計

圖6 .打印的軟管爬行機器人。

在這項工作中,，研究人員開發(fā)了一種 ME3P 方法,，用于 CRA 和基于 CRA 的軟機器人的簡便和可編程制造。兩種具有可調(diào)彈性模量的不同油墨被設計用作 CRA 的軟膨脹體和硬增強圖案,。研究油墨的流變特性和工藝參數(shù),，以優(yōu)化打印質(zhì)量和分辨率。通過設計和制造增強復合材料的圖案以及軟體的不同幾何形狀,，研究人員演示了具有可編程響應（伸長,、收縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲以及螺旋和全向彎曲）的執(zhí)行器,，并使用軟管爬行機器人作為模型系統(tǒng)來展示他們?yōu)閷嶋H應用制造復雜軟機器人的能力,。同時，提出了一種有限元分析數(shù)據(jù)驅(qū)動方法來設計更復雜的執(zhí)行器,。這項工作為未來軟機器人的生產(chǎn)提供了一個多功能且有前途的平臺,，展示了 ME3P 在未來制造基于 CRA 的軟機器人方面的多功能性。