工程師模仿章魚觸手3D打印出軟體機器人啟動器
近日，美國康奈爾大學（Cornell University）以機械和航空航天助理教授Rob Shepherd為首的一支研究團隊，在其最近發表的一篇論文中描述了他們模仿章魚觸手的肌肉特性，成功地3D打印出了一個觸手般的致動器。值得注意的是，科學家們在這項研究中使用的關鍵設備只是一臺定制的光固化3D打印機，以及在市場上銷售的彈性體樹脂。
研究人員們認為，這一創新具有開拓性意義，因為迄今為止柔性與功能性的適當組合還不存在：自由度往往意味著犧牲功能。但是如今康奈爾大學的這群科學家們在《Bioinspiration & Biomimetics》上發表的論文中宣稱，這種新的3D打印方法開辟了一系列新的可能性。這項研究得到了美國空軍科學研究辦公室、3M公司和美國國家科學基金會（NSF）的資助。
據Shepherd教授介紹說，他們的測試表明，這種市售的3D打印材料絕對是機器人工程師的一個可行選擇。“根據已有的驗證報告和這種材料進一步改進的可能性，可以說這種用來制造軟致動器的新興的打印工藝將來非常適于打造復雜的仿生系統。”他說。遺憾的是，當前制造的技術限制了它創建復雜結構的能力，其中的部分原因也與材料有關。
研究人員的最終目標是將生物有機體的自然功能移植到機器人身上。而在自然界中，很少有動物會像章魚那樣自如地應對各種復雜的環境。“通過模仿生物體的特性，一些可變形的材料如液體、凝膠和彈性體等能夠改變機器與環境的相互作用方式。比如受自然的啟發，之前有報道軟機器人可以模仿章魚通過微小的裂縫或模仿蚯蚓在不平坦的地形上運動。此外，這些材料平臺還具有低成本、易于制造和生物兼容性與許多種類的聚合物相似的有點。”研究人員寫道。“理論上，這種彈性材料的可持續變形能力使得這些軟機器人系統能夠沿其表面向任何地方移動和彎曲。”
而章魚觸手的能力主要來自于其內部三個方向相互垂直的肌肉的特殊排列。“而要實現如此復雜的系統唯一可行的方法就是使用3D打印自下而上地組裝這些致動器。通過使用3D打印技術打印彈性材料，軟機器人的設計空間將大大增加。”他們說。為此，工程師們打造了一臺成本不到1500美元的光固化3D打印機，該機器采用了一種自下而上的數字掩模投影3D打印（dmp-sl）技術，并使用了數字微鏡器件以進行光聚合。結果證明，這臺機器工作得很好。其控制軟件使用的是Envision公司的Creation Workshop，而打印材料同的是從市場上購買的Elastomeric Precursor（EP，Spot-E resin，Spot-A Materials公司）。
科學家們對最終的結果十分滿意。他們說：“我們已經開發出能夠模擬類似章魚觸手那樣具有肌肉流體靜力功能（而非機構）的成對的對抗性致動器。這些氣動執行器的運動能力是類似活的肌肉組織的好幾倍。”他們在論文中寫道。康奈爾的團隊認為，這些原則可以應用于3D打印具有完整復雜肌肉結構的單一整體對象，從而具有廣泛的潛在應用。“這對組合可用于創建任意復雜的驅動系統，而且這一系統可以使用3D打印技術作為一個單一的整體一次性打印出來。由于其設計精巧，這些裝置的柔順性堪比一些生物組織，該DMP-SL 3D打印系統是唯一適合于開發能夠模仿生物系統并與之互動的軟機器人的技術。”他們說。
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