EPFL 研究人員 3D 打印無(wú)機(jī)械關(guān)節(jié)的柔性設(shè)備，目標(biāo)是下一代軟執(zhí)行器和機(jī)器人

2024年4月22日，南極熊獲悉，來(lái)自EPFL的研究人員計(jì)劃使用基于彈性體的墨水來(lái)開(kāi)發(fā)新一代軟執(zhí)行器和機(jī)器人，用于3D打印具有局部改變機(jī)械性能的物體，從而消除對(duì)復(fù)雜機(jī)械接頭的需要。

對(duì)于從事軟機(jī)器人或可穿戴設(shè)備工作的工程師來(lái)說(shuō)，推進(jìn)設(shè)備輕量化是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)：較重的材料需要更多的能量來(lái)移動(dòng)，并且對(duì)于可穿戴設(shè)備或假肢來(lái)說(shuō)會(huì)引起不適。彈性體是合成聚合物，可以制造出具有從剛性到彈性的一系列機(jī)械性能的材料，這使得它們成為此類(lèi)應(yīng)用的流行材料。但迄今為止，制造可成型為從剛性到橡膠的復(fù)雜 3D 結(jié)構(gòu)的彈性體仍然不可行。

EPFL 工程學(xué)院軟材料實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Esther Amstad 說(shuō)道：“彈性體通常是鑄造的，因此它們的成分在短長(zhǎng)度范圍內(nèi)的所有三個(gè)維度上都不會(huì)改變。為了克服這個(gè)問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了 DNGE：可 3D 打印的雙網(wǎng)絡(luò)顆粒彈性體，可以將其機(jī)械性能改變到前所未有的程度�！�

資料來(lái)源：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院

阿姆斯塔實(shí)驗(yàn)室的博士生伊娃·鮑爾 (Eva Baur) 使用 DNGE 打印了一個(gè)原型“手指”——?jiǎng)傂缘摹肮穷^”被靈活的“肉”包圍。手指被打印成以預(yù)先定義的方式變形——展示了該技術(shù)在制造足夠柔軟以彎曲和伸展的設(shè)備上的潛力，同時(shí)保持足夠堅(jiān)固以操縱物體。

憑借這些優(yōu)勢(shì)，研究人員相信 DNGE 可以促進(jìn)軟執(zhí)行器、傳感器和可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)，而無(wú)需笨重的機(jī)械接頭。該研究以題為“3D Printing of Double Network Granular Elastomers with LocallyVarying Mechanical Properties”的論文被發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313189

多功能性兩倍

DNGE 多功能性的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)兩個(gè)彈性體網(wǎng)絡(luò)。首先，彈性體微粒由水包油乳液滴產(chǎn)生。這些微粒被放置在前體溶液中，它們吸收彈性體化合物并膨脹。然后，溶脹的微粒被用來(lái)制造 3D 打印墨水，將其加載到生物打印機(jī)中以創(chuàng)建所需的結(jié)構(gòu)。前驅(qū)體在 3D 打印結(jié)構(gòu)內(nèi)聚合，形成第二個(gè)彈性體網(wǎng)絡(luò)，使整個(gè)物體變得堅(jiān)硬。

資料來(lái)源：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院

第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組成決定了結(jié)構(gòu)的剛度，而第二個(gè)網(wǎng)絡(luò)則決定了其斷裂韌性，這意味著兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以獨(dú)立進(jìn)行微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)剛度、韌性和抗疲勞性的組合。與水凝膠（最先進(jìn)的方法中使用的材料）相比，使用彈性體具有創(chuàng)建無(wú)水結(jié)構(gòu)的額外優(yōu)勢(shì)，使其隨著時(shí)間的推移更加穩(wěn)定。 DNGE 也可以使用市售 3D 打印機(jī)進(jìn)行打印。

阿姆斯塔德說(shuō)：“我們方法的優(yōu)點(diǎn)在于，任何擁有標(biāo)準(zhǔn)生物打印機(jī)的人都可以使用它�！�

DNGE 的一個(gè)令人興奮的潛在應(yīng)用是用于運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)康復(fù)設(shè)備，其中支持一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)同時(shí)限制另一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)的能力可能非常有用。 DNGE 技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展可能會(huì)產(chǎn)生假肢，甚至是輔助外科醫(yī)生的運(yùn)動(dòng)指南。傳感遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)，例如機(jī)器人輔助農(nóng)作物收割或水下探索，是另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

Amstad 表示，軟材料實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在致力于通過(guò)將響應(yīng)材料和電氣連接等活性元素集成到 DNGE 結(jié)構(gòu)中來(lái)開(kāi)發(fā)此類(lèi)應(yīng)用。