如何脫離雙手操控任天堂？3D打印具有流體電路的柔性機(jī)器人手指橫空出世！

來源：江蘇激光聯(lián)盟

最新一期《Science Advances》的封面上突出展示了軟機(jī)器人領(lǐng)域的一項有前途的創(chuàng)新，該領(lǐng)域的重點是創(chuàng)造新型的柔性充氣機(jī)器人，這些機(jī)器人使用水或空氣而不是電力提供動力。軟機(jī)器人固有的安全性和適應(yīng)性引起了人們對其在假肢和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等應(yīng)用中使用的興趣。不幸的是，控制使這些軟機(jī)器人彎曲和移動的流體一直特別困難——直到現(xiàn)在。

在過去的十年中，軟機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)證明自己特別適合于使用傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人難以或不可能實現(xiàn)的應(yīng)用。對由流體裝置（例如液壓和/或氣動）驅(qū)動的柔性材料的依賴為軟機(jī)器人帶來了許多固有的好處，特別是在人機(jī)交互的安全性、較低的成本和幾何形狀的適應(yīng)性方面復(fù)雜和/或精致的物體。然而，目前，軟機(jī)器人實用性的一個關(guān)鍵障礙源于增加獨立操作的軟執(zhí)行器（或自由度）的數(shù)量通常需要相同或更多數(shù)量的不同控制輸入的要求。為了減少或消除對此類外部控制方案的需求，研究人員研究了多種通過流體邏輯增強(qiáng)軟機(jī)器人自主性的方法。

與將獨立流體電路手動連接到軟機(jī)器人的努力相比，人們對將此類功能直接嵌入軟機(jī)器人系統(tǒng)的能力越來越感興趣。然而，自推出以來，這種制造方法尚未在軟機(jī)器人社區(qū)中得到廣泛采用，這可能是由于依賴于基于軟光刻的流體回路。具體而言，將多層軟光刻方法用于集成流體電路制造提出了許多挑戰(zhàn)，包括與以下方面相關(guān)的挑戰(zhàn)：(i) 執(zhí)行微制造協(xié)議的成本、時間和/或勞動力要求；(ii) 訪問和培訓(xùn)限制（例如，使用潔凈室設(shè)施和設(shè)備）；(iii) 由于基于用戶技能的手動對齊步驟，設(shè)備功效和/或再現(xiàn)性的可變性；(iv) 光刻和微成型工藝固有的幾何（即平面或“2.5D”）限制。此外，雖然研究人員已經(jīng)展示了廣泛的流體閥門功能，但基于此類制造方法，實現(xiàn)更復(fù)雜的功能，尤其是那些基于壓力增益操作的功能并不簡單。

在這里，來自馬里蘭大學(xué)的研究人員提出了一種新穎的策略，通過多材料“PolyJet 三維（3D）打印”（圖 1）在單次打印中增材制造具有完全集成流體電路的統(tǒng)一軟機(jī)器人系統(tǒng)。最初，可以在計算機(jī)輔助設(shè)計 (CAD) 軟件中設(shè)計和組裝模塊化組件，例如流體電路元件、互連件和接入端口以及軟機(jī)器人執(zhí)行器和結(jié)構(gòu)構(gòu)件（圖 1A），以生成 3D 模型具有完全集成流體電路的軟機(jī)器人（圖 1B）。盡管研究人員在軟機(jī)器人和流體電路領(lǐng)域使用了廣泛的增材制造技術(shù)，但她們認(rèn)為 PolyJet 3D 打印特別適合同時制造這兩類系統(tǒng)作為統(tǒng)一實體. PolyJet 打印是一種基于噴墨（“材料噴射”）的過程，在該過程中，多種光反應(yīng)性和犧牲性支撐材料并行分配（具有持續(xù)的紫外線劑量），以逐行、逐層的方式生產(chǎn)3D對象。此前，研究人員曾報道過使用 PolyJet 打印構(gòu)建軟執(zhí)行器和機(jī)器人（即，沒有流體電路）以及獨立的流體閥。然而，在這項工作中，研究人員增材制造了完全集成的軟機(jī)器人系統(tǒng)——即，包括所有的軟執(zhí)行器；身體特征（任意設(shè)計）；和流體電路元件、互連件和端口——在單次印刷中（圖 1、C 和 D）。這個過程需要同時打印三種不同的材料：（i）柔順的光聚合物（圖 1C，黑色），（ii）剛性光塑材料（圖 1C，白色），和（iii）犧牲水溶性支撐材料（圖 1C，黃色）。使用犧牲支撐材料的一個警告是，它必須在打印過程后從外部區(qū)域以及內(nèi)部空隙和通道中去除或溶解（圖 1E）。研究人員已經(jīng)展示了許多技術(shù)來最小化 (42, 43) 甚至完全繞過支撐去除過程 (40, 44)；然而，為了促進(jìn)廣泛的可及性，我們在這里使用了一種混合方法，該方法將手動去除步驟（例如，數(shù)十分鐘的數(shù)量級）與自主溶解協(xié)議相結(jié)合。結(jié)合起來，基于 PolyJet 的增材制造和后處理方法的整體——其中絕大多數(shù)是自主的——可以在不到一天的時間內(nèi)執(zhí)行，以實現(xiàn)具有完全集成流體電路的 3D 多材料軟機(jī)器人（例如，圖 1F）。

▲ PolyJet 3D 打印統(tǒng)一軟機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計和增材制造策略，包括在單次打印中完全集成的流體電路

圖解：(A) 模塊化 3D CAD 模型和流體電路元件、流體互連、軟致動器和結(jié)構(gòu)外殼的類似電子電路符號。(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) 多材料 PolyJet 3D 使用柔順（黑色）、剛性（白色）和水溶性支撐（黃色）材料打印軟機(jī)器人的概念圖。(D) PolyJet 3D 打印過程的順序延時圖像。比例尺，5 厘米。(E 和 F) 在去除支撐材料之前和 (F) 之后，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。

以前，軟機(jī)械手的每個手指通常都需要自己的控制線，這會限制便攜性和實用性。但是通過使用該集成流體晶體管 3D打印機(jī)械手，它可以根據(jù)一個壓力輸入來玩任天堂游戲。

作為演示，該團(tuán)隊設(shè)計了一個集成的流體回路，允許手根據(jù)單個控制壓力的強(qiáng)度進(jìn)行操作。例如，施加低壓力導(dǎo)致只有食指按壓任天堂控制器使馬里奧行走，而高壓力導(dǎo)致馬里奧跳躍。在設(shè)定程序的引導(dǎo)下，自動在關(guān)閉、低、中和高壓之間切換，機(jī)械手能夠按下控制器上的按鈕，在不到 90 秒的時間內(nèi)成功完成超級馬里奧兄弟的第一關(guān)。

目前，該團(tuán)隊正在探索將他們的技術(shù)用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括康復(fù)設(shè)備、手術(shù)工具和可定制的假肢。由于 Sochol 是 Fischell 生物工程系的附屬教師，也是馬里蘭機(jī)器人中心和 Robert E. Fischell 生物醫(yī)學(xué)設(shè)備研究所的成員，因此該團(tuán)隊擁有一個特殊的環(huán)境，可以繼續(xù)推進(jìn)他們的戰(zhàn)略，以應(yīng)對緊迫的挑戰(zhàn)。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

本文來源：Joshua D. Hubbard et al, Fully 3D-printed soft robots with integrated fluidic circuitry, Science Advances (2021).  DOI: 10.1126/sciadv.abe5257