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西湖大學開發(fā)軟體機器人復合增強執(zhí)行器的新型打印方法

3D打印動態(tài)
2024
01/15
18:52
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2024年1月15日,南極熊獲悉,來自西湖大學的研究人員提出了一種多材料嵌入式打印方法(ME3P),用于制造軟機器人中使用的復合材料增強執(zhí)行器(CRA)。與其他3D打印方法相比,新方法大大提高了制造靈活性,允許可編程響應,并且可用于復雜的軟機器人。

相關(guān)研究以題為“Multimaterial Embedded 3D Printingof Composite Reinforced Soft Actuators”的論文被發(fā)表在《Research》期刊上。



不同于傳統(tǒng)的剛性機器人,軟體機器人因其優(yōu)異的機械順應性,在精密物體操縱、安全人機交互以及用于診斷和手術(shù)的醫(yī)療機器人等領(lǐng)域的應用引起了極大的關(guān)注,成為了國際機器人界的熱點研究方向。在不同類型的軟執(zhí)行器中,軟氣動執(zhí)行器(SPA)在高工作負載、優(yōu)異的可逆性和可控性以及較快的驅(qū)動速度方面具有強大的優(yōu)勢。其中,軟復合材料增強執(zhí)行器(CRA)因其結(jié)構(gòu)簡單、可控性高而得到廣泛應用。然而,多步成型這種耗時的方法仍然是主要的制造方法。

在這項工作中,研究人員首次提出了一種用于 CRA 的新型多材料嵌入式 3D 打印 (ME3P) 方法,該方法能夠整體設計和制造具有內(nèi)部通道的任意形狀的復雜執(zhí)行器主體,以及復雜增強材料的輕松圖案化致動器表面上的材料。

用于打印執(zhí)行器主體的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1A所示。研究人員通過 2 步過程打印了氣動花朵狀樣品:首先,使用軟墨水打印花朵基質(zhì)中帶有空氣通道的花瓣(圖S1);其次,將硬墨水共形地印刷在花瓣的兩側(cè),以控制膨脹時形狀的變形。添加旋轉(zhuǎn)軸(U 軸)以在花瓣表面打印堅硬的加固圖案。步驟2中的噴嘴尖端彎曲至90°,以確保其在打印位置垂直于花瓣表面(圖1A和B)。為了成功的嵌入打印,油墨的儲能模量應比基體材料的儲能模量高1或2個數(shù)量級(圖1C)。在本研究中,選擇卡波姆凝膠作為基質(zhì)材料,其流變特性已在我們之前的工作中進行了研究。固化花的綻放與設計目標一致,表明打印的硬圖案具有良好的增強性能(圖1D和電影S2)。接下來,展示了一種全向彎曲執(zhí)行器,其特點是具有 3 個獨立內(nèi)部通道的軟圓柱形充氣體(圖1F,左)。隨后,以相對于圓柱體的軸向方向±20°的交叉角打印硬質(zhì)增強編織物,以限制其徑向膨脹。3個通道的壓力由3個獨立的氣源控制。圖1F展示了其全向彎曲運動的能力。

圖1 用于軟復合執(zhí)行器和機器人的多材料嵌入式打印概述
圖2 .硬油墨和軟油墨的流變學和機械性能
圖3 .嵌入式 3D 打印流程的優(yōu)化
圖4 .執(zhí)行器和形狀變形結(jié)構(gòu)的可編程響應
圖5 用于點位置任務的串聯(lián)執(zhí)行器的逆向設計
圖6 .打印的軟管爬行機器人。

在這項工作中,研究人員開發(fā)了一種 ME3P 方法,用于 CRA 和基于 CRA 的軟機器人的簡便和可編程制造。兩種具有可調(diào)彈性模量的不同油墨被設計用作 CRA 的軟膨脹體和硬增強圖案。研究油墨的流變特性和工藝參數(shù),以優(yōu)化打印質(zhì)量和分辨率。通過設計和制造增強復合材料的圖案以及軟體的不同幾何形狀,研究人員演示了具有可編程響應(伸長、收縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲以及螺旋和全向彎曲)的執(zhí)行器,并使用軟管爬行機器人作為模型系統(tǒng)來展示他們?yōu)閷嶋H應用制造復雜軟機器人的能力。同時,提出了一種有限元分析數(shù)據(jù)驅(qū)動方法來設計更復雜的執(zhí)行器。這項工作為未來軟機器人的生產(chǎn)提供了一個多功能且有前途的平臺,展示了 ME3P 在未來制造基于 CRA 的軟機器人方面的多功能性。



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