西湖大學開發軟體機器人復合增強執行器的新型打印方法
時間：2024-01-16 09:51 來源：未知 作者：admin 閱讀：次
2024年1月15日，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。相關研究以題為“Multimaterial Embedded 3D Printingof Composite Reinforced Soft Actuators”的論文被發表在《Research》期刊上。
論文鏈接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0122
不同于傳統的剛性機器人，軟體機器人因其優異的機械順應性，在精密物體操縱、安全人機交互以及用于診斷和手術的醫療機器人等領域的應用引起了極大的關注，成為了國際機器人界的熱點研究方向。在不同類型的軟執行器中，軟氣動執行器（SPA）在高工作負載、優異的可逆性和可控性以及較快的驅動速度方面具有強大的優勢。其中，軟復合材料增強執行器（CRA）因其結構簡單、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部通道的任意形狀的復雜執行器主體，以及復雜增強材料的輕松圖案化致動器表面上的材料。
用于打印執行器主體的系統的結構如圖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，以控制膨脹時形狀的變形。添加旋轉軸（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個數量級（圖1C）。在本研究中，選擇卡波姆凝膠作為基質材料，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行器，其特點是具有
3
個獨立內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 打印流程的優化
圖4 .執行器和形狀變形結構的可編程響應
圖5 用于點位置任務的串聯執行器的逆向設計
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，以優化打印質量和分辨率。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、彎曲以及螺旋和全向彎曲）的執行器，并使用軟管爬行機器人作為模型系統來展示他們為實際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據驅動方法來設計更復雜的執行器。這項工作為未來軟機器人的生產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。
(責任編輯：admin)
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