3D打印人造肌肉實現新突破，可以輕松舉起自身重量的1000倍
時間：2022-08-05 19:25 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2022年8月5日，意大利理工學院（IIT）的研究人員，利用3D打印技術，開發了一種新的機械手，該團隊宣稱，使用SLA 3D工藝制造的人工肌肉，更具備仿生能力。
這個栩栩如生的肢體，由一系列可收縮和拉長執行器組成，或者可以稱它為 "GRACES "。這些執行器由樹脂膜3D打印而成，可以像肌肉一樣拉伸和收縮。這些微小的執行器僅重8克，可以舉起自身重量的1000倍，當集成到一個機器人手時，它們具備人類手指一樣的功能，如彎曲、扭轉手掌和轉動手腕的能力。
基于3D打印的生物仿生技術
自然界充滿了對動物和植物仿生學研究的例子，這對材料科學家和工程師來說仍然是一種啟發。為了在人工結構和機器人中重現這些特性，研究人員經常求助于3D打印，并在這樣做的過程中，完成了一些令人印象深刻的生物模仿。
在浙江大學，科學家們根據墨魚的啟發，利用3D打印技術，模仿海洋生物獨特的能量吸收能力。事實上，該團隊的早期模型具備超強的耐壓能力，以至于它們能夠承受高達其自身重量2萬倍的壓力。同樣，中國臺灣省科技大學的工程師們，已經用FDM 3D打印了海膽殼狀格子，而不需要任何支撐材料。
在其他地方，在軟體機器人的生物模仿嘗試中，研究人員已經部署了，能夠將能量和電信號轉換為運動的執行器，以創造具有逼真動作的機器人。而中國的科學家通過3D打印軟性機器人手指，向肢體生產邁進。
通過有效地結合這些方法，IIT團隊說，未來有可能3D打印出，足夠強大和靈活的軟執行器，以有效地 "與自然和社會環境相結合"，應用范圍從生物多樣性保護，再到老年人日常護理。因此，該團隊認為，他們的機器人手原型，是朝著使這種設備更容易創造的方向邁出的第一步。
開發具有GRACE功能的機械手
根據IIT研究人員的說法，人工執行器現已達到發展過程中一個重要的階段，它們能夠實現與生物肌肉相同的收縮性能。然而，在他們的論文中，該團隊補充說，以往的技術所面臨的問題，很難再現由人體內部復雜的肌肉排列，所帶來的 "運動的多樣性和優雅"。
為了解決這個問題，改團隊設計出了，由單一材料褶皺膜組成的GRACE人工肌肉，它們，從頭到尾都是利用數學模型來收縮和伸展。因此，執行器能夠按照預期執行，而無需集成應變限制元素。
通過Formlabs Form 3D打印設備，使得研究人員，能夠將褶皺集成到設備的膜上，它們具備折疊和展開功能，同時，賦予了它們，能夠承受反復變形所需的靈活性和強度。在實踐中，該團隊宣稱，這些3D打印手機經過測試，可以舉起越來越重的物品，無論是單獨還是分組。
事實證明，根據用于制造這些設備的材料的參數，它們能夠舉起比自身重幾個數量級的物體。在一個案例中，8克的GRACE原型模型，甚至能夠舉起8公斤的重量，這使得科學家們重新認識到，它們可以作為仿真肌肉和身體部位的一種潛在手段。
為了測試這一理論，研究人員選擇連接18個不同大小的執行器，來創建一個機器人手和手腕。通過對每個3D打印膜施加壓力，他們發現可以用類似人類的動作，和效率來操作這只手。在成功測試了他們的方法后，該團隊說，它證明了在單一生產步驟中，3D打印功能性肌肉的可能性。
"GRACE可以通過低成本的3D打印方式來制造，甚至可以直接在功能性設備中制造出來，比如，只需一步就能完成3D打印的氣動假肢。”“這使得基于氣動人工肌肉的原型設計和制造更快、更直接。”
△IIT研究人員的機械手，配有3D打印的GRACE執行器
這個栩栩如生的肢體，由一系列可收縮和拉長執行器組成，或者可以稱它為 "GRACES "。這些執行器由樹脂膜3D打印而成，可以像肌肉一樣拉伸和收縮。這些微小的執行器僅重8克，可以舉起自身重量的1000倍，當集成到一個機器人手時，它們具備人類手指一樣的功能，如彎曲、扭轉手掌和轉動手腕的能力。
△可以在它們的研究結果，題目為《使用可收縮和拉長的軟驅動，3D打印仿生人造肌肉》的論文中查看更多內容（點我傳送門）
基于3D打印的生物仿生技術
自然界充滿了對動物和植物仿生學研究的例子，這對材料科學家和工程師來說仍然是一種啟發。為了在人工結構和機器人中重現這些特性，研究人員經常求助于3D打印，并在這樣做的過程中，完成了一些令人印象深刻的生物模仿。
△墨魚骨骼布局的SEM和顯微CT圖像
在浙江大學，科學家們根據墨魚的啟發，利用3D打印技術，模仿海洋生物獨特的能量吸收能力。事實上，該團隊的早期模型具備超強的耐壓能力，以至于它們能夠承受高達其自身重量2萬倍的壓力。同樣，中國臺灣省科技大學的工程師們，已經用FDM 3D打印了海膽殼狀格子，而不需要任何支撐材料。
在其他地方，在軟體機器人的生物模仿嘗試中，研究人員已經部署了，能夠將能量和電信號轉換為運動的執行器，以創造具有逼真動作的機器人。而中國的科學家通過3D打印軟性機器人手指，向肢體生產邁進。
通過有效地結合這些方法，IIT團隊說，未來有可能3D打印出，足夠強大和靈活的軟執行器，以有效地 "與自然和社會環境相結合"，應用范圍從生物多樣性保護，再到老年人日常護理。因此，該團隊認為，他們的機器人手原型，是朝著使這種設備更容易創造的方向邁出的第一步。
△從FEM模擬中，獲得的GRACE應變分布結果
開發具有GRACE功能的機械手
根據IIT研究人員的說法，人工執行器現已達到發展過程中一個重要的階段，它們能夠實現與生物肌肉相同的收縮性能。然而，在他們的論文中，該團隊補充說，以往的技術所面臨的問題，很難再現由人體內部復雜的肌肉排列，所帶來的 "運動的多樣性和優雅"。
為了解決這個問題，改團隊設計出了，由單一材料褶皺膜組成的GRACE人工肌肉，它們，從頭到尾都是利用數學模型來收縮和伸展。因此，執行器能夠按照預期執行，而無需集成應變限制元素。
△Form 3L（左）和 Form 3（右）3D打印機
通過Formlabs Form 3D打印設備，使得研究人員，能夠將褶皺集成到設備的膜上，它們具備折疊和展開功能，同時，賦予了它們，能夠承受反復變形所需的靈活性和強度。在實踐中，該團隊宣稱，這些3D打印手機經過測試，可以舉起越來越重的物品，無論是單獨還是分組。
△該團隊的光彈性測試裝置
事實證明，根據用于制造這些設備的材料的參數，它們能夠舉起比自身重幾個數量級的物體。在一個案例中，8克的GRACE原型模型，甚至能夠舉起8公斤的重量，這使得科學家們重新認識到，它們可以作為仿真肌肉和身體部位的一種潛在手段。
為了測試這一理論，研究人員選擇連接18個不同大小的執行器，來創建一個機器人手和手腕。通過對每個3D打印膜施加壓力，他們發現可以用類似人類的動作，和效率來操作這只手。在成功測試了他們的方法后，該團隊說，它證明了在單一生產步驟中，3D打印功能性肌肉的可能性。
"GRACE可以通過低成本的3D打印方式來制造，甚至可以直接在功能性設備中制造出來，比如，只需一步就能完成3D打印的氣動假肢。”“這使得基于氣動人工肌肉的原型設計和制造更快、更直接。”
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