全3D打印流體電路軟機(jī)器人，美國馬里蘭大學(xué)《Science Advances》

導(dǎo)讀：提到機(jī)器人時(shí)，人們通常會(huì)想到許多類似星球大戰(zhàn)等電影中C-3PO之類的形象。但在過去10年里，軟機(jī)器人的概念出現(xiàn)了。這種機(jī)器人使用空氣或水等流體，以及柔軟、靈活的材料。與傳統(tǒng)硬機(jī)器人不同，軟機(jī)器人具有人機(jī)交互的安全性，還能進(jìn)行改造，例如抓住小巧物體或具有復(fù)雜幾何形狀之類的東西。

美國馬里蘭大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)學(xué)者利用PolyJet這種3D打印方法，在單次打印中制造包含完全集成流體電路的軟機(jī)器人。這種機(jī)器人利用新型3D流體電路元件（例如，流體二極管、“常閉”晶體管和具有幾何可調(diào)壓力增益功能的“常開”晶體管）來響應(yīng)流體傳統(tǒng)電子信號(hào)，包括“直流 (DC)”、“交流(AC)”，還可以通過預(yù)編程（“可變電流”）進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)。

△PolyJet 3D打印軟機(jī)器人系統(tǒng)，在單次打印中集成流體電路。( A ) 模塊化3D CAD模型和流體電路元件、流體互連、軟致動(dòng)器和結(jié)構(gòu)外殼的類似電子電路符號(hào)。（B）具有完全集成的流體振蕩器電路的統(tǒng)一軟機(jī)器人的CAD模型和相應(yīng)的模擬電路圖。(C ) 使用彈性（黑色）、剛性（白色）和水溶性支撐（黃色）材料多材料PolyJet 3D打印軟機(jī)器人的概念圖。( D ) PolyJet 3D打印過程的順序延時(shí)圖像。比例尺，5厘米。( E和F) 在去除支撐材料之前和之后(F) 具有集成流體電路 (E) 的統(tǒng)一多材料軟機(jī)器人的制造結(jié)果。比例尺，2厘米。圖片來源：Ruben Acevedo，馬里蘭大學(xué)帕克分校。

研究團(tuán)隊(duì)使用了Stratasys的PolyJet3D 打印機(jī)Objet500 Connex3，以及SolidWorks軟件建模所有流體回路元件、軟執(zhí)行器、端口和集成軟機(jī)器人系統(tǒng)。并使用了3種Stratasys生產(chǎn)的材料進(jìn)行打印工作：

• MED610：剛性光塑材料
• Agilus30：彈性光聚合物材料
• SUP706：水溶性犧牲支撐材料
  

△基于恒流的軟體機(jī)器龜?shù)墓ぷ髟�理和�?shí)驗(yàn)結(jié)果。（A到F）軟機(jī)器人的概念圖，集成的流體振蕩器電路，以及對(duì)應(yīng)于基于恒流輸入條件的六個(gè)主要狀態(tài)的模擬電路圖。(G ) 在具有代表性的操作期間，在恒定流量條件 (10 ml/min) 下軟機(jī)器人功能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比例尺，3厘米。圖片來源：Ruben Acevedo，馬里蘭大學(xué)帕克分校。（H）在恒定流量條件下（10 毫升/分鐘），每個(gè)軟驅(qū)動(dòng)肢體的歸一化垂直變形隨時(shí)間的量化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。藍(lán)色，左肢；紅色，右肢。au，任意單位。

受到仿生學(xué)的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)以烏龜為模本制造了3種具有不同集成流體電路的軟機(jī)器人，并對(duì)它們的操作性能進(jìn)行研究。針對(duì)不同傳統(tǒng)電信號(hào)，這些流體電路軟機(jī)器人可分為以下三類：

• 在恒流 [“直流(DC)”] 輸入條件下為軟肢產(chǎn)生周期性、異相驅(qū)動(dòng)
• 利用不同壓力增益特性的嵌入式流體晶體管，在正弦 [“交流電 (AC)”] 流體輸入條件下產(chǎn)生周期性游泳運(yùn)動(dòng)
• 利用單個(gè)預(yù)編程非周期性（“可變電流”）壓力輸入，通關(guān)“超級(jí)馬里奧兄弟”第一關(guān)的彈性機(jī)械手
  

△基于正弦輸入的軟體機(jī)器人烏龜?shù)墓ぷ髟�理和�?shí)驗(yàn)結(jié)果。（A到D）基于正弦輸入條件和恒定輸入的四種主要狀態(tài)的概念圖和模擬電路圖。 (E ) 制造結(jié)果。比例尺，2 厘米。圖片來源：Ruben Acevedo，馬里蘭大學(xué)帕克分校。（F）軟執(zhí)行器相關(guān)的鰭狀肢位移的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(G)在恒定輸入和以0.1 Hz 的頻率從 0 到 80 kPa 振蕩的正弦輸入下的鰭狀肢位移路徑的 DIC 處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。藍(lán)色和紅色分別表示與通貨膨脹和通貨緊縮相關(guān)的位移周期。

在團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的軟機(jī)器人中，研究人員認(rèn)為基于恒流的軟機(jī)器人烏龜最適合作為比較使用不同流體回路的軟機(jī)器人參考模板，它的振蕩行為也與其他相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道行為一致。針對(duì)機(jī)械手，團(tuán)隊(duì)成功利用特殊的流體晶體管實(shí)現(xiàn)手指運(yùn)動(dòng)控制。通過壓力的變化，手指會(huì)進(jìn)行不同運(yùn)動(dòng)，從而操作游戲控制器按鈕。有趣的是，研究人員利用這一特點(diǎn)并使用編程控制，完成了實(shí)時(shí)游戲操作，成功通關(guān)超級(jí)馬里奧兄弟第一關(guān)。

△具有集成流體電路的預(yù)編程、基于非周期性流體輸入的軟機(jī)械手的概念和結(jié)果。（A到D）基于不同幅度的四種主要狀態(tài)的概念圖和模擬電路圖。（E和F）軟機(jī)器人手指實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比例尺，2 厘米。圖片來源：馬里蘭大學(xué)帕克分校的Kristen M. Edwards、Jennifer Landry 和Ryan D. Sochol。（G）軟機(jī)器人手指-流體晶體管系統(tǒng)。誤差帶表示 SD。( H ) PolyJet 3D打印過程的順序延時(shí)圖像。比例尺，2 厘米。圖片來源：Joshua D.Hubbard，馬里蘭大學(xué)帕克分校。（I）制作結(jié)果。比例尺，2厘米。照片來源：馬里蘭大學(xué)帕克分校的 Joshua D. Hubbard 和Kristen M. Edwards。( J）完成響應(yīng)預(yù)編程實(shí)時(shí)超級(jí)馬里奧兄弟視頻游戲的第一關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。標(biāo)注包括控制器激活狀態(tài)、游戲狀態(tài)和使用控制器的軟機(jī)械手圖像，對(duì)應(yīng)于演示時(shí)間點(diǎn)。照片來源：馬里蘭大學(xué)帕克分校的Joshua D. Hubbard、Ruben Acevedo 和Kristen M. Edwards。

研究結(jié)果表明，流體電路可以成為一種強(qiáng)大的手段來增強(qiáng)軟機(jī)器人的自主性，進(jìn)而減少和/或消除與傳統(tǒng)流體控制方案相關(guān)的束縛，而3D打印也被證明能夠?qū)崿F(xiàn)在單次打印中制造具有完全集成流體電路的軟機(jī)器人系統(tǒng)。同時(shí)，自動(dòng)化PolyJet3D打印工藝可以在制造方面減少人為制造產(chǎn)生的誤差。另外，3D打印技術(shù)的使用加深了研究人員對(duì)軟機(jī)器人領(lǐng)域的探索，從而為跨學(xué)科背景的研究設(shè)計(jì)提供了一條新途徑。

參考文獻(xiàn)：Hubbard, J., Acevedo, R.,Edwards, K., Alsharhan, A., Wen, Z., Landry, J., Wang, K., Schaffer, S. and Sochol, R., 2021. Fully 3D-printed soft robots with integrated fluidiccircuitry. Science Advances, 7(29), p.eabe5257.

文獻(xiàn)地址：https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257