最近，研究人員開發(fā)了一種用于微軟機器人執(zhí)行器的高分辨率3D打印工藝。軟機器人是一種由標準材料制成的機器人系統(tǒng)，能夠安全地適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。他們最近增長很快，有各種各樣的設(shè)計，涵蓋了從米到亞米的各種長度尺度。
特別是毫米級的小型軟機器人更具有實際意義，因為它們可以被設(shè)計成僅由氣動壓力驅(qū)動的微致動器的組合，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，將軟氣動機器人的尺寸減小到毫米將使更精細的特征減少不止一個數(shù)量級。這種機器人用傳統(tǒng)工藝制造時，設(shè)計復(fù)雜度需要非常精細，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3D打印微型軟氣動機器人的成功例子并不多見。
加州大學(xué)圣地亞哥分校的機器人研究人員首次使用商用3D打印機將復(fù)雜的傳感器嵌入機器人的四肢和固定裝置中。然而，他們發(fā)現(xiàn)，在機器人完全投入使用之前，仍然需要改進可用于商業(yè)3D打印的材料。
長期以來，專門從事3D打印的研究人員一直試圖在打印機上構(gòu)建一個完整的機器人，它可以在完成后將自己從打印機上移除。這使得打印更多的機器人變得更加容易和快速。它還可以使3D打印機器人在沒有人類監(jiān)管的情況下成為可能，例如在月球或火星上。
實現(xiàn)這一目標的主要障礙之一是為軟機器人開發(fā)有效的傳感器。這是因為柔軟靈活的機器人通常具有復(fù)雜的表面和運動，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。他們轉(zhuǎn)向商業(yè)打印機(strata sys objet 350 connex 3——許多機器人實驗室的中流砥柱)。此外，他們意識到3d打印機中使用的一種材料是由碳顆粒制成的，當連接到電源時，可以為傳感器供電。因此，機器人專家使用黑色樹脂來制造嵌入透明聚合物制成的機器人零件中的復(fù)雜傳感器。他們設(shè)計并制造了幾個原型，包括一個夾子。
這個夾具是用商用多材料3D打印機做的，可以把執(zhí)行器和傳感器一起打印出來。
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當拉伸時，傳感器在與人類皮膚大致相同的張力下失效。但是3D打印機中使用的聚合物不是為了導(dǎo)電而設(shè)計的，所以它們的性能不是最佳的。3D打印機器人在實現(xiàn)其功能之前需要大量的后期處理，包括仔細清潔以去除雜質(zhì)和干燥。
然而，研究人員仍然樂觀地認為，在未來，材料將得到改善，配備嵌入式傳感器的3D打印機器人將更容易制造。
“傳感器的嵌入式打印是一個強大的過程，可以實現(xiàn)和增強傳感器和軟機器人的無縫集成，但沒有合適的、商業(yè)的和易于使用的平臺可以讓用戶同時打印軟驅(qū)動器和傳感器，”研究人員寫道。
最近，新加坡和中國的研究人員，即新加坡科技設(shè)計大學(xué)(SUTD)、中國南方科技大學(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。用于軟機器人的微型氣動執(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《先進材料技術(shù)》上。
“我們利用DLP 3d打印的高效率和分辨率來制造微型軟機器人致動器，”SUSTech副教授Kevin)Ge說，他是該研究項目的首席研究員。“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，過量的劑量增加會導(dǎo)致材料彈性迅速下降，這對于軟機器人保持大變形非常重要。
“為了達到合理的權(quán)衡，我們首先選擇了在投射紫外光的波長處具有良好吸收率的吸光劑，并根據(jù)力學(xué)性能測試確定了合適的材料配方。接下來，我們將固化深度和XY保真度作為確定曝光時間和切片層厚度的合適組合，”SUTD的第一作者之一張遠方解釋道。
“按照這個流程，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機器人執(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打印機兼容，因為不需要對硬件進行修改，”通訊作者，SUSTech的齊格教授說。
為了說明潛在的應(yīng)用，研究人員還設(shè)計了一種軟碎片去除器，包括一個連續(xù)機械手和一個用于3D打印的微型軟氣動夾具。它可以在狹窄的空間中導(dǎo)航，并在難以到達的位置收集小物體。
該方法為具有復(fù)雜幾何形狀和復(fù)雜多材料設(shè)計的3D打印微軟機器人鋪平了道路。將印刷微型軟氣動致動器集成到機器人系統(tǒng)中為潛在的應(yīng)用提供了機會，例如噴氣發(fā)動機維護和微創(chuàng)手術(shù)。