西北大學(xué)新研究：利用 3D 打印軟體致動器實現(xiàn)類人體肌肉運動

2024年7月18日，南極熊獲悉，來自美國西北大學(xué)的工程師們發(fā)明了一種新型柔軟、靈活的軟體致動器裝置，使機器人能夠通過擴(kuò)張和收縮模仿人類肌肉的運動，從而達(dá)到移動物體的目的。

在這項研究中，致動器（裝置）被用于制造一個圓柱形蠕蟲狀軟機器人和一個人造二頭肌。機器人可以在狹小的空間中行走，二頭肌可以輕松舉起 500 克的重物 5,000 次。每個機器人由標(biāo)準(zhǔn)橡膠制成，成本約為 3 美元，不包括幫助致動器改變形狀的小型馬達(dá)。該團(tuán)隊表示，這種方法比傳統(tǒng)的剛性致動器便宜得多，后者可能要花費數(shù)百或數(shù)千美元。

這項研究由西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程和機械工程系的 June andDonald Brewer Junior 教授 Samuel Truby以及博士后學(xué)者、論文第一作者 Taekyoung Kim 領(lǐng)導(dǎo)，機械工程博士候選人 Pranav Kaarthik 也參與其中。這項研究題為“A Flexible, Architected Soft Robotic Actuator for MotorizedExtensional Motion/一種用于線性伺服驅(qū)動運動的靈活、結(jié)構(gòu)化的軟機器人致動器”，發(fā)表在《先進(jìn)智能系統(tǒng)》雜志上。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202300866

“機器人專家長期以來的目標(biāo)就是讓機器人更安全，”西北大學(xué)的 Ryan Truby 說道，他領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。“如果軟機器人撞到人，傷害不會像被堅硬的機器人撞到那么大。我們的致動器可用于更適合以人為中心的環(huán)境的機器人。而且，由于它們價格低廉，我們有可能以歷史上成本過高的方式更多地使用它們�！�

△專為電動拉伸運動而設(shè)計的軟機器人執(zhí)行器。靈活的軟機器人執(zhí)行器 a) 通過伺服旋轉(zhuǎn)線性伸展，b) 即使在因外部負(fù)載而彎曲時也是如此。c) 執(zhí)行器由熱塑性聚氨酯 (TPU) 手性剪切膨脹 (HSA) 主體和軟波紋管軸組成。照片中展示了這兩個組件的可延展性和可彎曲性。

仿生軟體致動器：增強機器人的機動性和靈活性

剛性致動器傳統(tǒng)上一直是機器人設(shè)計的主導(dǎo)，但它們的剛性和安全性問題促使研究人員開始探索軟致動器。受人類肌肉同時收縮和僵硬的啟發(fā)，特魯比和他的團(tuán)隊開發(fā)了一種新型致動器。

該團(tuán)隊用橡膠 3D 打印了圓柱形“手性剪切膨脹材料”（HSA），這種材料在扭曲時可以實現(xiàn)獨特的運動，如伸展和膨脹。研究人員表示，之前使用昂貴打印機用硬質(zhì)塑料樹脂制成的 HSA 版本缺乏靈活性和可變形性。

Kim 通過使用熱塑性聚氨酯（一種用于手機外殼的材料）和經(jīng)濟(jì)高效的桌面 3D 打印機解決了這些限制。這使 HSA 變得更軟、更靈活，盡管扭轉(zhuǎn)它們進(jìn)行延伸和擴(kuò)展仍然是一個挑戰(zhàn)。

早期的軟致動器需要多個伺服電機來扭轉(zhuǎn)，這會使制造過程復(fù)雜化，并降低柔軟度。Kim 通過添加柔軟、可伸縮的橡膠波紋管作為可變形的旋轉(zhuǎn)軸解決了這個問題，使單個伺服電機能夠向任一方向伸展或收縮致動器。

添加波紋管后，Kim 可以使用單個致動器制造出爬行軟體機器人。與早期的軟體機器人不同，這款 26 厘米長的機器人每分鐘移動超過 32 厘米，可以在狹窄空間內(nèi)導(dǎo)航，并且在致動器伸展時變硬。

研究團(tuán)隊表示，軟體致動器在操作時能夠像人類肌肉一樣變硬，這是一項重大進(jìn)步。與傳統(tǒng)機器人相比，這一仿生功能增強了運動能力，擴(kuò)大了軟體機器人可以執(zhí)行的任務(wù)范圍。

△西北大學(xué)研究人員設(shè)計的新型爬行機器人可以在狹窄的管道環(huán)境中行走。圖片來自西北大學(xué)。

3D打印肌肉在運動

3D 打印肌肉代表著一個有前途的研究領(lǐng)域，有可能對肌肉修復(fù)和再生方法產(chǎn)生重大影響。一個例子是意大利理工學(xué)院(IIT) 的研究人員開發(fā)了一種配備 SLA 3D 打印人造肌肉（稱為 GRACE 致動器）的機械手，該機械手可復(fù)制類似人類的抓握效率。

這些致動器重量僅為 8 克，可以舉起重達(dá)自身重量 1,000 倍的物體，并允許機械手執(zhí)行復(fù)雜的動作，例如彎曲手指和扭動手腕。由樹脂膜打印而成的 GRACE 致動器展示了 3D 打印肌肉的潛力，可以模擬生物功能，并且具有更高的多功能性和強度。

早在 2017 年，哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家就開發(fā)出了一種3D 打印合成肌肉，能夠舉起高達(dá)自身重量 1,000 倍的重量。該團(tuán)隊描述了一種致動器，它使用與乙醇混合的 PMSD 基硅膠彈性體來模擬人體肌肉的擴(kuò)張和收縮。

當(dāng)施加電壓時，乙醇的相變會導(dǎo)致材料大幅膨脹和收縮。這種“肌肉”兼具高應(yīng)變和高應(yīng)力以及低密度，有望為簡單的手工任務(wù)制造栩栩如生的仿生身體部位。