西湖大學(xué)開發(fā)軟體機(jī)器人復(fù)合增強(qiáng)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(xué)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(jī)器人中使用的復(fù)合材料增強(qiáng)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(yīng),，并且可用于復(fù)雜的軟機(jī)器人,。

相關(guān)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(jī)器人,，軟體機(jī)器人因其優(yōu)異的機(jī)械順應(yīng)性,，在精密物體操縱、安全人機(jī)交互以及用于診斷和手術(shù)的醫(yī)療機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用引起了極大的關(guān)注，成為了國(guó)際機(jī)器人界的熱點(diǎn)研究方向,。在不同類型的軟執(zhí)行器中,，軟氣動(dòng)執(zhí)行器（SPA）在高工作負(fù)載、優(yōu)異的可逆性和可控性以及較快的驅(qū)動(dòng)速度方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì),。其中,，軟復(fù)合材料增強(qiáng)執(zhí)行器（CRA）因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性高而得到廣泛應(yīng)用,。然而,，多步成型這種耗時(shí)的方法仍然是主要的制造方法。

在這項(xiàng)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(shè)計(jì)和制造具有內(nèi)部通道的任意形狀的復(fù)雜執(zhí)行器主體，以及復(fù)雜增強(qiáng)材料的輕松圖案化致動(dòng)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(dòng)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(shí)形狀的變形,。添加旋轉(zhuǎn)軸（U 軸）以在花瓣表面打印堅(jiān)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(chǔ)能模量應(yīng)比基體材料的儲(chǔ)能模量高1或2個(gè)數(shù)量級(jí)（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(jìn)行了研究。固化花的綻放與設(shè)計(jì)目標(biāo)一致,，表明打印的硬圖案具有良好的增強(qiáng)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(diǎn)是具有 3 個(gè)獨(dú)立內(nèi)部通道的軟圓柱形充氣體（圖1F，左）,。隨后,，以相對(duì)于圓柱體的軸向方向±20°的交叉角打印硬質(zhì)增強(qiáng)編織物，以限制其徑向膨脹,。3個(gè)通道的壓力由3個(gè)獨(dú)立的氣源控制,。圖1F展示了其全向彎曲運(yùn)動(dòng)的能力。

圖1 用于軟復(fù)合執(zhí)行器和機(jī)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(xué)和機(jī)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(yīng)

圖5 用于點(diǎn)位置任務(wù)的串聯(lián)執(zhí)行器的逆向設(shè)計(jì)

圖6 .打印的軟管爬行機(jī)器人。

在這項(xiàng)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(jī)器人的簡(jiǎn)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(shè)計(jì)用作 CRA 的軟膨脹體和硬增強(qiáng)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(shè)計(jì)和制造增強(qiáng)復(fù)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(yīng)（伸長(zhǎng),、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(jī)器人作為模型系統(tǒng)來展示他們?yōu)閷?shí)際應(yīng)用制造復(fù)雜軟機(jī)器人的能力。同時(shí),，提出了一種有限元分析數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法來設(shè)計(jì)更復(fù)雜的執(zhí)行器,。這項(xiàng)工作為未來軟機(jī)器人的生產(chǎn)提供了一個(gè)多功能且有前途的平臺(tái)，展示了 ME3P 在未來制造基于 CRA 的軟機(jī)器人方面的多功能性,。