最近，研究人員開(kāi)發(fā)了一種用于微軟機(jī)器人執(zhí)行器的高分辨率3D打印工藝。軟機(jī)器人是一種由標(biāo)準(zhǔn)材料制成的機(jī)器人系統(tǒng)，能夠安全地適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。他們最近增長(zhǎng)很快，有各種各樣的設(shè)計(jì)，涵蓋了從米到亞米的各種長(zhǎng)度尺度。
特別是毫米級(jí)的小型軟機(jī)器人更具有實(shí)際意義，因?yàn)樗鼈兛梢员辉O(shè)計(jì)成僅由氣動(dòng)壓力驅(qū)動(dòng)的微致動(dòng)器的組合，它們也非常適合在狹窄區(qū)域?qū)Ш胶筒倏v小型物體。
然而，將軟氣動(dòng)機(jī)器人的尺寸減小到毫米將使更精細(xì)的特征減少不止一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種機(jī)器人用傳統(tǒng)工藝制造時(shí)，設(shè)計(jì)復(fù)雜度需要非常精細(xì)，比如成型和軟光刻。雖然新興的3D打印技術(shù)如數(shù)字光處理(DLP)具有很高的理論分辨率，但在不造成堵塞的情況下處理微尺度的間隙和通道仍然具有挑戰(zhàn)性。所以，其實(shí)3D打印微型軟氣動(dòng)機(jī)器人的成功例子并不多見(jiàn)。
加州大學(xué)圣地亞哥分校的機(jī)器人研究人員首次使用商用3D打印機(jī)將復(fù)雜的傳感器嵌入機(jī)器人的四肢和固定裝置中。然而，他們發(fā)現(xiàn)，在機(jī)器人完全投入使用之前，仍然需要改進(jìn)可用于商業(yè)3D打印的材料。
長(zhǎng)期以來(lái)，專門(mén)從事3D打印的研究人員一直試圖在打印機(jī)上構(gòu)建一個(gè)完整的機(jī)器人，它可以在完成后將自己從打印機(jī)上移除。這使得打印更多的機(jī)器人變得更加容易和快速。它還可以使3D打印機(jī)器人在沒(méi)有人類監(jiān)管的情況下成為可能，例如在月球或火星上。
實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要障礙之一是為軟機(jī)器人開(kāi)發(fā)有效的傳感器。這是因?yàn)槿彳涭`活的機(jī)器人通常具有復(fù)雜的表面和運(yùn)動(dòng)，很難裝備和覆蓋傳統(tǒng)制造技術(shù)制造的傳感器。這些類型的機(jī)器人比僵硬的同類更靈活，可以安全地與人類并肩工作。
加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員有雙重觀點(diǎn)。他們轉(zhuǎn)向商業(yè)打印機(jī)(strata sys objet 350 connex 3——許多機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的中流砥柱)。此外，他們意識(shí)到3d打印機(jī)中使用的一種材料是由碳顆粒制成的，當(dāng)連接到電源時(shí)，可以為傳感器供電。因此，機(jī)器人專家使用黑色樹(shù)脂來(lái)制造嵌入透明聚合物制成的機(jī)器人零件中的復(fù)雜傳感器。他們?cè)O(shè)計(jì)并制造了幾個(gè)原型，包括一個(gè)夾子。
這個(gè)夾具是用商用多材料3D打印機(jī)做的，可以把執(zhí)行器和傳感器一起打印出來(lái)。
畫(huà)
當(dāng)拉伸時(shí)，傳感器在與人類皮膚大致相同的張力下失效。但是3D打印機(jī)中使用的聚合物不是為了導(dǎo)電而設(shè)計(jì)的，所以它們的性能不是最佳的。3D打印機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)其功能之前需要大量的后期處理，包括仔細(xì)清潔以去除雜質(zhì)和干燥。
然而，研究人員仍然樂(lè)觀地認(rèn)為，在未來(lái)，材料將得到改善，配備嵌入式傳感器的3D打印機(jī)器人將更容易制造。
“傳感器的嵌入式打印是一個(gè)強(qiáng)大的過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)和增強(qiáng)傳感器和軟機(jī)器人的無(wú)縫集成，但沒(méi)有合適的、商業(yè)的和易于使用的平臺(tái)可以讓用戶同時(shí)打印軟驅(qū)動(dòng)器和傳感器，”研究人員寫(xiě)道。
最近，新加坡和中國(guó)的研究人員，即新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)(SUTD)、中國(guó)南方科技大學(xué)和浙江大學(xué)(ZJU)提出了指導(dǎo)DLP 3d打印的一般工藝流程。用于軟機(jī)器人的微型氣動(dòng)執(zhí)行器的總尺寸為2-15毫米，特征尺寸為150-350微米..他們的研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料技術(shù)》上。
“我們利用DLP 3d打印的高效率和分辨率來(lái)制造微型軟機(jī)器人致動(dòng)器，”SUSTech副教授Kevin)Ge說(shuō)，他是該研究項(xiàng)目的首席研究員。“為了確保打印產(chǎn)品的可靠打印保真度和機(jī)械性能，我們引入了一種新的模式，用于系統(tǒng)有效地定制材料配方和關(guān)鍵加工參數(shù)。”
在DLP 3-D打印中，通常在聚合物溶液中添加光吸收劑，以提高水平和垂直方向的打印分辨率。同時(shí)，過(guò)量的劑量增加會(huì)導(dǎo)致材料彈性迅速下降，這對(duì)于軟機(jī)器人保持大變形非常重要。
“為了達(dá)到合理的權(quán)衡，我們首先選擇了在投射紫外光的波長(zhǎng)處具有良好吸收率的吸光劑，并根據(jù)力學(xué)性能測(cè)試確定了合適的材料配方。接下來(lái)，我們將固化深度和XY保真度作為確定曝光時(shí)間和切片層厚度的合適組合，”SUTD的第一作者之一張遠(yuǎn)方解釋道。
“按照這個(gè)流程，我們可以在自建的多材料3D打印系統(tǒng)上生產(chǎn)出各種結(jié)構(gòu)和變形模式的微型軟氣動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行器，它們都比一枚新加坡元硬幣還小。”這種方法應(yīng)該與商業(yè)立體平版印刷術(shù)(SLA)或DLP 3d打印機(jī)兼容，因?yàn)椴恍枰獙?duì)硬件進(jìn)行修改，”通訊作者，SUSTech的齊格教授說(shuō)。
為了說(shuō)明潛在的應(yīng)用，研究人員還設(shè)計(jì)了一種軟碎片去除器，包括一個(gè)連續(xù)機(jī)械手和一個(gè)用于3D打印的微型軟氣動(dòng)夾具。它可以在狹窄的空間中導(dǎo)航，并在難以到達(dá)的位置收集小物體。
該方法為具有復(fù)雜幾何形狀和復(fù)雜多材料設(shè)計(jì)的3D打印微軟機(jī)器人鋪平了道路。將印刷微型軟氣動(dòng)致動(dòng)器集成到機(jī)器人系統(tǒng)中為潛在的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)，例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)和微創(chuàng)手術(shù)。