加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員已經(jīng)使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出了柔軟而靈活的行走“類昆蟲”機(jī)器人。用于制造機(jī)器人的預(yù)算型增材制造技術(shù)可以降低3D打印軟機(jī)器人的入門成本，并為該技術(shù)在對(duì)人類不安全的地方打開(kāi)新的應(yīng)用。

根據(jù)研究人員的說(shuō)法，制造昆蟲機(jī)器人的主要挑戰(zhàn)之一是重建復(fù)雜的外骨骼結(jié)構(gòu)力學(xué)。外殼需要提供多種功能，包括結(jié)構(gòu)支撐、關(guān)節(jié)靈活性和身體保護(hù)，同時(shí)提供傳感、抓取和附著的功能表面特征。

圣地亞哥的研究小組觀察到，昆蟲四肢的活動(dòng)能力是由剛性、柔性和梯度剛度元素的排列決定的，而昆蟲的外骨骼是剛性和柔性機(jī)械部件的混合結(jié)構(gòu)。因此，未來(lái)的迭代需要一種混合的構(gòu)建方法，以便更好地反映它們所基于的昆蟲模型。

最近，機(jī)器人專家開(kāi)始使用多材料3D打印，激光切割，層壓和壓鑄法，將身體和四肢的適應(yīng)性納入機(jī)器人設(shè)計(jì)中。這些制造技術(shù)也有缺點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兺ǔＲ垣@取昂貴且耗時(shí)的制造工具為代價(jià)，這些工具提供了有限的材料選擇。

為了使他們能夠以更節(jié)省成本的方式3D打印柔性和彈性外骨骼，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新穎的混合方法，稱為彈性骨骼打印。使用熔融沉積建模（FDM）3D打印機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)絲材料（例如丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS））使該方法更便宜且更易于使用。此外，新技術(shù)不同于傳統(tǒng)方法，而是通過(guò)將3D剛性細(xì)絲直接打印到加熱的熱塑性薄膜上，來(lái)制造軟機(jī)器人。這種方法為沉積的材料提供了靈活而堅(jiān)固的基礎(chǔ)層，并能夠精確控制機(jī)器人體內(nèi)關(guān)節(jié)和支桿的剛度和特性。

在標(biāo)準(zhǔn)FDM 打印中，塑料絲（例如ABS或聚乳酸（PLA））通過(guò)加熱噴嘴的孔口擠出，并沉積在平坦的打印表面上。另一方面，柔性骨架工藝使用改良的Prusa i3 MK3S或LulzBot Taz 6 FDM 3D打印機(jī)，將長(zhǎng)絲直接沉積到加熱的熱塑性基礎(chǔ)層上。這導(dǎo)致沉積材料與不可延伸的柔性基材之間的高粘結(jié)強(qiáng)度，從而提高了抗疲勞性。柔性骨架打印的粘合過(guò)程也不需要額外的粘合劑或固化劑，因?yàn)殚L(zhǎng)絲在擠出過(guò)程中直接粘合到基礎(chǔ)層上。

為了測(cè)試所生產(chǎn)組件的強(qiáng)度和抗疲勞性，該團(tuán)隊(duì)制造了具有均勻矩形幾何形狀的柔性梁。將每個(gè)梁彎曲到恒定應(yīng)力狀態(tài)，并保持該位置10秒鐘，以模擬機(jī)器人腿彎曲并固定在適當(dāng)位置以支撐載荷的情況。然后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)拍攝未加載光束偏轉(zhuǎn)角的圖像來(lái)測(cè)量光束的蠕變角，該圖像是在測(cè)試前從中立位置測(cè)量的。通過(guò)添加聚碳酸酯（PC）層，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們能夠在300個(gè)負(fù)載循環(huán)周期內(nèi)將3D打印光束的蠕變變形降低70％。