天津大學左思洋、劉建彬課題組研發(fā)3D打印“人工肌肉”

來源：光明日報

一只靈巧的尺蠖，牢牢地抓住圓形管，一伸一縮中蜿蜒前行，事實上，這只靈活的尺蠖是一款采用了天津大學研發(fā)的一種新型模塊化柔性驅(qū)動方法，用3D打印機直接“打印”出來的軟性機器人。軟性機器人因其較高的柔性和對人體安全等優(yōu)點，在近幾年得到了持續(xù)廣泛的關(guān)注。而3D打印的優(yōu)勢就是制造復雜形體、復雜結(jié)構(gòu)而且不需要后續(xù)加工，可一次成型。

打印免組裝結(jié)構(gòu)，是3D打印技術(shù)制造軟性機器人近年來一個比較典型的應用。近日，天津大學左思洋、劉建彬課題組提出了一種基于薄膜氣缸的新型模塊化柔性驅(qū)動方法，并通過根據(jù)具體應用改變排列組合方式以及合理布置連接方案，將其應用于人工肌肉和管道爬行機器人中。

該方法基于一次3D打印成型的制造技術(shù)，省掉了傳統(tǒng)機電設(shè)備加工制造中的裝配流程，大幅降低了驅(qū)動模塊的制造成本和周期，且具備耗氣量小、動態(tài)響應高、可靠性高、對應用場景適應性強等特點。

該成果2021年1月初在線發(fā)表在《美國電氣電子工程師學會機器人和自動化快報（ IEEE Robotics and Automation Letters）》上。

△基于薄膜氣缸的新型氣動人工肌肉設(shè)計理念及其應用場景

“每一個薄膜氣缸就好比人體的一小塊肌肉，或者爬蟲的一個‘節(jié)’，只不過是用熱塑性聚氨酯材料做的�！眲⒔ū蚪忉屨f，采用這種新型薄膜氣缸結(jié)構(gòu)是團隊的“奇思妙想”。

如果把這個結(jié)構(gòu)比喻成一個基本的肌肉單元，那根據(jù)不同的應用需求再對這些單元的連接方式進行排列組合和布局連接，就像是把一個個的肌肉單元連接起來形成一整塊肌肉，然后再應用于不同場景，而整塊“肌肉”的制造過程則采用了3D打印技術(shù)，一次成型。

基于此創(chuàng)意，課題組首先提出了一種新型氣動人工肌肉，可應用于柔性外骨骼等人機交互裝備的驅(qū)動中。氣動即以壓縮空氣為動力源，帶動機械完成伸縮或旋轉(zhuǎn)動作。

與傳統(tǒng)氣動人工肌肉相比，該設(shè)計最突出的特點是不會產(chǎn)生厚度方向的膨脹，從而避免了對人體的擠壓。

△基于薄膜氣缸的管道爬行機器人設(shè)計理念

此外，課題組還提出了一種新型氣動管道爬行機器人，可應用于工業(yè)管道設(shè)施的檢查和實時監(jiān)控。該管道爬行機器人采用仿生尺蠖原理，通過巧妙布置薄膜氣缸單元之間的連接，實現(xiàn)機器人在管道內(nèi)、外壁面爬行。

柔性驅(qū)動方式的應用使該機器人能夠適應大范圍管道直徑的變化，并可應對直管、彎管、豎管、水平管以及各種角度傾斜管應用場景，同時機器人可承受自重80倍以上負載。

因為采用了氣動的方法驅(qū)動，軟性機器人只能拖著長長的氣管尾巴工作。如果將傳感器集成到設(shè)備中，也就能去掉這些氣管尾巴，使機器人更獨立精致。這也是科學家們未來的努力方向。