軟體機(jī)器人是一類由柔性材料制成的機(jī)器人系統(tǒng)，能夠安全地適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。最近軟體機(jī)器人領(lǐng)域快速增長(zhǎng)，出現(xiàn)了各種各樣的設(shè)計(jì)，涵蓋從米到亞微米的多種尺寸的機(jī)器人。

特別是，毫米級(jí)的小型軟體機(jī)器人具有實(shí)際意義，因?yàn)樗鼈兛梢栽O(shè)計(jì)為僅由氣動(dòng)壓力驅(qū)動(dòng)的微型致動(dòng)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，將軟體氣動(dòng)機(jī)器人縮小到毫米，會(huì)導(dǎo)致更精細(xì)的特性減少一個(gè)數(shù)量級(jí)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(shí)，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，但在不造成堵塞的情況下處理微尺度的空洞和通道仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。實(shí)際上，3D打印微型軟體氣動(dòng)機(jī)器人的成功例子很罕見。

最近，由南方科技大學(xué)、浙江大學(xué)以及新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)（SUTD）的研究人員組成的研究小組，提出了一個(gè)指導(dǎo)DLP 3D打印的通用工藝流程，用于3D打印尺寸為2-15 mm，特征尺寸為150-350μm（見下圖）的軟體機(jī)器人的微型氣動(dòng)執(zhí)行器。他們的研究成果近期發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》上。

研究人員提出了一種通用的工藝流程，用于指導(dǎo)小于硬幣的微型軟體氣動(dòng)執(zhí)行器的3D打印。帶有集成微型抓手的柔軟碎屑清除器可以實(shí)現(xiàn)在狹窄空間內(nèi)的導(dǎo)航以及在難以到達(dá)位置收集小物體。

“我們利用DLP 3D打印的高效率和分辨率來(lái)制造微型軟體機(jī)器人執(zhí)行器。”研究項(xiàng)目首席研究員南方科技大學(xué)副教授葛锜說(shuō)：“為了確保打印產(chǎn)品的可靠打印保真度和機(jī)械性能，我們引入了一種用于系統(tǒng)有效地定制材料配方和關(guān)鍵工藝參數(shù)的新模式?！?/span>

在DLP 3D打印中，通常將吸光劑加入到聚合物溶液中以增強(qiáng)橫向和縱向的打印分辨率。與此同時(shí)，劑量過(guò)量會(huì)導(dǎo)致材料彈性迅速退化，這對(duì)軟體機(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(zhǎng)下具有良好吸光度的吸光劑，并根據(jù)機(jī)械性能測(cè)試確定了合適的材料配方。接著，我們對(duì)固化深度和XY保真度進(jìn)行了表征，以確定曝光時(shí)間和切片層厚度的合適組合。”來(lái)自新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)的共同第一作者張?jiān)冀忉屨f(shuō)。

“通過(guò)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)各種結(jié)構(gòu)和變形模式的微型軟體氣動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行器，它們均小于一枚硬幣。該方法應(yīng)該與商業(yè)立體光刻（SLA）或DLP 3D打印機(jī)兼容，不需要進(jìn)行硬件修改?！备痂熃淌谡f(shuō)。

南方科技大學(xué)副教授葛锜

為了舉例說(shuō)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(gè)連續(xù)作業(yè)機(jī)械手和一個(gè)3D打印的微型軟體氣動(dòng)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。

他們開發(fā)的工藝為具有復(fù)雜幾何形狀和復(fù)雜多材料設(shè)計(jì)的3D打印微型軟體機(jī)器人鋪平了道路。將打印微型軟體氣動(dòng)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(huì)，例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)和微創(chuàng)手術(shù)等。