最近，研究人員開發(fā)了用于微型軟機(jī)器人執(zhí)行器的高分辨率3D打印的工藝流程。軟機(jī)器人是一類由符合標(biāo)準(zhǔn)的材料制成的機(jī)器人系統(tǒng)，能夠安全地適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。他們最近看到了快速增長，并且有各種各樣的設(shè)計(jì)，涵蓋從米到亞米的多種長度尺度。

特別是，毫米級的小型軟機(jī)器人更具有實(shí)際意義，因?yàn)樗鼈兛梢栽O(shè)計(jì)為僅由氣動壓力驅(qū)動的微型致動器的組合，它們也非常適合在狹窄區(qū)域中導(dǎo)航和操縱小物體。

然而，將軟氣動機(jī)器人縮小到毫米會導(dǎo)致更精細(xì)的特征減少一個數(shù)量級以上。這種機(jī)器人的設(shè)計(jì)復(fù)雜性在用傳統(tǒng)工藝（例如模塑和軟光刻）制造時需要非常精細(xì)。雖然數(shù)字光處理（DLP）等新興的3D打印技術(shù)具有很高的理論分辨率，但處理微尺度空隙和通道而不會造成堵塞仍然具有挑戰(zhàn)性。因此實(shí)際上，3D打印微型軟氣動機(jī)器人的成功例子很少見。


加州大學(xué)圣地亞哥分校的機(jī)器人研究人員首次使用商用3D打印機(jī)將復(fù)雜的傳感器嵌入機(jī)器人肢體和夾具中。但他們發(fā)現(xiàn)，在機(jī)器人完全正常運(yùn)行之前，仍然需要改進(jìn)商業(yè)上可用于3D打印的材料。

專門研究3D打印的研究人員長期以來一直試圖在一臺打印機(jī)上制造一個完整的機(jī)器人，這臺打印機(jī)能夠在完成后將自己從打印機(jī)中移開。這樣可以更輕松地更快地打印更多機(jī)器人。它還可以使沒有人工監(jiān)督的3D打印機(jī)器人成為可能，例如在月球或火星上。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要障礙之一是為軟機(jī)器人開發(fā)有效的傳感器。這是因?yàn)槿彳洠`活的機(jī)器人通常具有復(fù)雜的表面和運(yùn)動，難以裝備和覆蓋傳統(tǒng)制造技術(shù)制造的傳感器。這些類型的機(jī)器人比剛性表兄弟更靈活，可以安全地與人類并肩工作。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員的見解是雙重的。他們轉(zhuǎn)向商用打印機(jī)（Stratasys Objet350 Connex3 - 許多機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的主力）。此外，他們意識到3-D打印機(jī)使用的材料之一是由碳顆粒制成，當(dāng)連接到電源時可以為傳感器供電。因此，機(jī)器人專家使用黑色樹脂制造嵌入由透明聚合物制成的機(jī)器人部件中的復(fù)雜傳感器。他們設(shè)計(jì)并制造了幾個原型，包括一個夾子。


這款夾具采用商用多材料3D打印機(jī)制造，可將致動器和傳感器一起打印。
圖片來源：David Baillot /加州大學(xué)圣地亞哥分校

當(dāng)拉伸時，傳感器在與人體皮膚大致相同的應(yīng)變下失效。但是3D打印機(jī)使用的聚合物并非設(shè)計(jì)用于導(dǎo)電，因此它們的性能不是最佳的。3D打印機(jī)器人在功能實(shí)現(xiàn)之前還需要進(jìn)行大量的后處理，包括仔細(xì)清洗以清除雜質(zhì)和干燥。

然而，研究人員仍然樂觀地認(rèn)為，在未來，材料將得到改善，并使配備嵌入式傳感器的3D打印機(jī)器人更容易制造。

“傳感器的嵌入式打印是一個強(qiáng)大的過程，可以實(shí)現(xiàn)和增強(qiáng)傳感器與軟機(jī)器人的無縫集成，但目前還沒有一個合適的，商用的，易于使用的平臺，允許用戶同時打印軟驅(qū)動器和傳感器，”研究人員寫道

最近，新加坡和中國的研究人員，即新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)（SUTD），南方科技大學(xué)（SUSTech）和浙江大學(xué)（ZJU），提出了一個指導(dǎo)DLP 3-D打印的通用工藝流程。用于軟機(jī)器人的微型氣動執(zhí)行器，總體尺寸為2-15 mm，特征尺寸為150-350μm。他們的研究成果發(fā)表在Advanced Materials Technologies上。



“我們利用DLP 3-D打印的高效率和分辨率來制造微型軟機(jī)器人執(zhí)行器，”研究項(xiàng)目首席研究員SUSTech副教授齊（Kevin）Ge說。“為了確保印刷產(chǎn)品的可靠印刷保真度和機(jī)械性能，我們引入了一種新的范例，用于系統(tǒng)和有效地定制材料配方和關(guān)鍵加工參數(shù)。”

在DLP 3-D印刷中，通常將光吸收劑添加到聚合物溶液中以增強(qiáng)橫向和垂直方向上的印刷分辨率。同時，過度增加劑量會導(dǎo)致材料彈性迅速降低，這對軟機(jī)器人維持大變形至關(guān)重要。

“為了實(shí)現(xiàn)合理的權(quán)衡，我們首先選擇了一種在投射紫外光波長下具有良好吸光度的光吸收劑，并根據(jù)機(jī)械性能測試確定了合適的材料配方。接下來，我們將固化深度和XY保真度表征為確定曝光時間和切片層厚度的合適組合，“來自SUTD的共同第一作者張?jiān)冀忉屨f。

“通過遵循這一工藝流程，我們能夠在自建的多材料3D打印系統(tǒng)上生產(chǎn)各種具有各種結(jié)構(gòu)和變形模式的微型軟氣動機(jī)器人執(zhí)行器，均小于一枚新加坡幣硬幣。該方法應(yīng)該與商業(yè)立體光刻（SLA）或DLP 3-D打印機(jī)兼容，因?yàn)椴恍枰M(jìn)行硬件修改，“相應(yīng)的作者，SUSTech的Qi Ge教授說。

為了舉例說明潛在的應(yīng)用，研究人員還設(shè)計(jì)了一種柔軟的碎屑清除器，包括一個連續(xù)操縱器和一個3D打印的微型軟氣動夾具。它可以在狹窄的空間中導(dǎo)航，并在難以到達(dá)的位置收集小物體。

所提出的方法為具有復(fù)雜幾何形狀和復(fù)雜多材料設(shè)計(jì)的3D 打印微型軟機(jī)器人鋪平了道路。將印刷微型軟氣動執(zhí)行器集成到機(jī)器人系統(tǒng)中為潛在應(yīng)用提供了機(jī)會，例如噴氣發(fā)動機(jī)維護(hù)和微創(chuàng)手術(shù)。