2020年6月1日，外媒報(bào)道稱，浙江理工大學(xué)，天津大學(xué)，南京來自日本理工大學(xué)和立命館大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)制造了一個(gè)柔軟的機(jī)器人手指。
該裝置由嵌入式單電極摩擦電曲率傳感器(S-TECS)供電，可在超低工作頻率下感應(yīng)彎曲曲率，無需外接電源即可實(shí)現(xiàn)添加數(shù)字彎曲曲率。該設(shè)備是作為概念驗(yàn)證而制造的。多材料3D打印不僅可以用于制造軟致動(dòng)器，還可以用于制造功能傳感器。研究人員希望這項(xiàng)創(chuàng)新可以用來制造可控的軟機(jī)器人。
△3D打印的機(jī)器人手指由九層腔體組成(如圖)，照片來自Science Direct。
構(gòu)造機(jī)器人手指的獨(dú)特方法
隨著軟機(jī)器人研究的進(jìn)展和新制造方法的發(fā)展，人與機(jī)器人的交互越來越安全，這為這項(xiàng)技術(shù)開辟了新的應(yīng)用空間。比如現(xiàn)在已經(jīng)可以直接打印出一個(gè)具有不透氣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和堅(jiān)硬部件的軟體機(jī)器人。這種發(fā)展帶來了一些創(chuàng)新，例如Wyss研究所在2015年生產(chǎn)的3D打印跳躍機(jī)器人。
其他軟機(jī)器人項(xiàng)目，如Wyss團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目，也將基于壓電、導(dǎo)電、磁性和有機(jī)光學(xué)材料的軟傳感器集成到他們的軟機(jī)器人設(shè)計(jì)中。然而，據(jù)研究人員稱，這些傳感器可能存在一些缺點(diǎn)，如原型設(shè)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)，電纜連接不穩(wěn)定，系統(tǒng)組裝復(fù)雜，系統(tǒng)集成困難。
因此，研究小組選擇使用接觸式帶電傳感器。這類部件具有很高的拉伸性和靈敏度，可以讓機(jī)器人手指實(shí)時(shí)主動(dòng)感知其變形或反應(yīng)。在這個(gè)過程中使用3D打印還使團(tuán)隊(duì)能夠使用多種材料，并通過使用一步打印過程縮短了原型制作時(shí)間。通過接觸通電曲率傳感器和可拉伸電極的組合，研究人員的TECS傳感器成功避免了與之前項(xiàng)目相同的集成復(fù)雜性。
△S-TEC傳感器如何引起接觸電化學(xué)的概述，圖片來自Science Direct。
將S-TEC傳感器集成到3D打印零件中
該裝置的主體由連接到主氣道的九個(gè)充氣室組成，并且每個(gè)充氣室的形狀為矩形，這提供了用于印刷S-TECS圖案的平面。硬加固充氣室的寬度為2毫米，兩端有兩個(gè)墊圈來支撐S-TECS的頂層，兩層之間的高度為3毫米。根據(jù)其腔體結(jié)構(gòu)，加數(shù)只能向一個(gè)方向彎曲。當(dāng)手指彎曲時(shí)，S-TECS的頂層開始接近底層，直到完全接觸，從而激活接觸電，產(chǎn)生電流。
這個(gè)設(shè)備基于Stratasys。公司由Objet350 3D打印機(jī)制作，分為兩部分:強(qiáng)化軟件體和連接器。S-TECS的圖案直接印刷在手指主體的頂面上，以簡(jiǎn)化整個(gè)制造過程并減少生產(chǎn)時(shí)間。該裝置的三層和軟件由類似橡膠的AgilusBlack印刷材料制成，因?yàn)槠淅鞆?qiáng)度為2.75MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為250%。在室溫下固化24小時(shí)。當(dāng)手指的3D打印部件被擰在一起，S-TECS被硅膠粘合劑連接起來，組裝就完成了。
研究人員通過改變傳感器的表面結(jié)構(gòu)、對(duì)其施加的力以及工作頻率的自動(dòng)設(shè)置，測(cè)試了傳感器在不同條件下的性能。研究人員發(fā)現(xiàn)，將傳感器與不同的軟材料集成在一起，并不會(huì)降低整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。此外，在0.06Hz的超低工作頻率下，該傳感器被證明可以測(cè)量高達(dá)8.2 m-1的手指曲率。
該試驗(yàn)不僅證明了S-TECS作為自供電曲率傳感器的有效性，也證明了利用多材料3D打印技術(shù)制作接觸式電氣化柔性機(jī)器人結(jié)構(gòu)的可行性。研究人員認(rèn)為，這種方法未來可能用于具有高級(jí)傳感功能的機(jī)器人應(yīng)用中。
快速原型制造與軟機(jī)器人技術(shù)
3D打印技術(shù)已經(jīng)被用于制造軟性機(jī)器人，應(yīng)用范圍很廣，從航空航天到醫(yī)療都有。
來自紐約康奈爾大學(xué)的研究人員在2020年1月開發(fā)了一種3D打印的柔軟機(jī)器人肌肉，可以通過出汗來控制其內(nèi)部溫度。它的軟手指致動(dòng)器可以保持水分，并對(duì)溫度做出反應(yīng)，從而自我冷卻。
2019年5月，美國(guó)宇航局的一對(duì)研究人員利用3D打印技術(shù)成功制造了一種軟機(jī)器人致動(dòng)器，這是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)畫和控制的關(guān)鍵部件。這項(xiàng)研究是對(duì)太空中潛在軟機(jī)器人應(yīng)用的更廣泛調(diào)查的一部分。
羅格斯大學(xué)新不倫瑞克分校的研究人員在2018年5月創(chuàng)造了一種新的水凝膠3D打印材料，這種材料非常靈活，可以像人一樣走路。該材料是為醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用而開發(fā)的，可用于組合。藥物它被輸送到身體的目標(biāo)部位，這降低了患者受傷的風(fēng)險(xiǎn)。
研究人員的研究結(jié)果在他們題為“基于多材料3D打印的具有自供電摩擦電曲率傳感器的柔軟機(jī)器人手指”的論文中詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。。這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)指導(dǎo)》雜志上，朱明珠，謝，宣，島岡和川村佐藤是這項(xiàng)研究的共同作者。