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

特別是，毫米級的小型軟體機器人具有實際意義，因為它們可以設計為僅由氣動壓力驅(qū)動的微型致動器的組合。它們也非常適合在狹窄區(qū)域中導航和操縱小物體。

然而，將軟體氣動機器人縮小到毫米，會導致更精細的特性減少一個數(shù)量級以上。這種機器人的設計復雜性在用傳統(tǒng)工藝（例如模塑和軟光刻）制造時，需要非常精細。雖然數(shù)字光處理（DLP）等新興的3D打印技術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具有挑戰(zhàn)性的工作。實際上，3D打印微型軟體氣動機器人的成功例子很罕見。

最近，由南方科技大學、浙江大學以及新加坡科技與設計大學（SUTD）的研究人員組成的研究小組，提出了一個指導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）的軟體機器人的微型氣動執(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，用于指導小于硬幣的微型軟體氣動執(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現(xiàn)在狹窄空間內(nèi)的導航以及在難以到達位置收集小物體。

“我們利用DLP 3D打印的高效率和分辨率來制造微型軟體機器人執(zhí)行器。”研究項目首席研究員南方科技大學副教授葛锜說：“為了確保打印產(chǎn)品的可靠打印保真度和機械性能，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橫向和縱向的打印分辨率。與此同時，劑量過量會導致材料彈性迅速退化，這對軟體機器人維持大變形至關重要。

“為了實現(xiàn)合理的權衡，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吸光劑，并根據(jù)機械性能測試確定了合適的材料配方。接著，我們對固化深度和XY保真度進行了表征，以確定曝光時間和切片層厚度的合適組合。”來自新加坡科技與設計大學的共同第一作者張元芳解釋說。

“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)各種結構和變形模式的微型軟體氣動機器人執(zhí)行器，它們均小于一枚硬幣。該方法應該與商業(yè)立體光刻（SLA）或DLP 3D打印機兼容，不需要進行硬件修改?！备痂熃淌谡f。

南方科技大學副教授葛锜

為了舉例說明潛在的應用，研究人員還設計了一種柔軟的碎屑清除器，包括一個連續(xù)作業(yè)機械手和一個3D打印的微型軟體氣動夾具。它可以在狹窄的空間中導航，并在難以到達的位置收集小物體。

他們開發(fā)的工藝為具有復雜幾何形狀和復雜多材料設計的3D打印微型軟體機器人鋪平了道路。將打印微型軟體氣動執(zhí)行器集成到機器人系統(tǒng)中為潛在應用提供了機會，例如噴氣發(fā)動機維護和微創(chuàng)手術等。