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利用多材料3D打印技術構建柔性機器人手指

牽手一起夢 ? 來源:南極熊3D打印網 ? 作者:佚名 ? 2020-06-01 15:50 ? 次閱讀

2020年6月1日,南極熊從外媒獲悉,由浙江工業大學、天津大學、南京理工大學和日本立命館大學的研究人員組成的聯合體,利用3D打印技術制造出了一種柔軟的機器人手指。

該裝置由嵌入式單電極接觸起電曲率傳感器(embedded single-electrode triboelectric curvature sensor,S-TECS)提供動力,可在超低工作頻率下感應彎曲曲率,不需要外部電源,就能實現加法數字的彎曲曲率。該裝置的制作是作為一個概念證明,多材料3D打印不僅可以用來制造軟執行器,還可以制造功能性傳感器。研究人員希望這項創新能夠用于制造可控的軟性機器人。

構建機器人手指的獨特方法

隨著軟質機器人研究的進步和新的制造方法的發展,人與機器人的交互方式也越來越安全,并為該技術開辟了新的應用空間。例如,現在已經可以直接打印出具有氣密復雜結構和硬部件的軟機器人。這一發展帶來了一些創新,如2015年Wyss研究所生產的3D打印跳樓機器人等。

其他的軟性機器人項目,比如Wyss團隊的項目,也將基于壓電、導電、磁性和有機光學材料的軟性傳感器集成到他們的軟性機器人設計中。不過據研究人員稱,這些傳感器可能存在一些缺點,如原型設計時間長、電纜連接不穩定、系統組裝復雜、系統集成困難等。

因此,研究團隊選擇了使用接觸起電傳感器。這種類型的組件具有高拉伸性和靈敏度,可以讓機器人手指主動感知和實時感知其變形或反應。在此過程中使用3D打印也使團隊能夠使用多種材料,并利用一步到位的打印過程縮短了原型制作時間。通過接觸起電曲率傳感器和可拉伸電極的組合,研究人員的S-TECS傳感器成功地避免了與以往項目相同的集成復雜性。

將S-TEC傳感器集成到3D打印零件中

該裝置的主體由9個充氣室組成,連接到一個主氣道,每個充氣室的形狀為長方形,為S-TECS圖案的打印提供了一個平面。硬強化的充氣室寬度為2毫米,兩端有兩個墊片,用于支撐S-TECS的頂層,兩層之間保持3毫米的高度。根據其腔體結構,加法數只能向一個方向彎曲。當手指彎曲時,S-TECS的頂層開始向底層靠近,直到完全接觸,激活接觸電,并產生電流

該器件是用Stratasys公司的多材料Objet350 3D打印機制作的,分為兩部分:強化軟體主體和連接器。S-TECS的圖案直接打印在手指主體的頂部表面,以簡化整個制造過程,減少生產時間。該裝置的三電層和軟體采用了類似橡膠的AgilusBlack打印材料制作,因為其抗拉強度為2.75MPa,斷裂伸長率為250%。在室溫下進行了24小時的固化,當手指的3D打印部件被擰在一起,并通過硅酮膠粘劑將S-TECS連接起來后,組裝就完成了。

研究人員通過改變傳感器的表面結構、施加在它身上的力和工作頻率的自動化設置,測試了傳感器在不同條件下的性能。研究人員發現,將傳感器與不同的軟性材料集成在一起,并沒有發現降低整個機器人系統的靈活性和適應性。此外,在0.06Hz的超低工作頻率下,傳感器被證明能夠測量手指曲率高達8.2 m-1。

測試不僅證明了S-TECS作為自供電曲率傳感器的有效性,而且還證明了利用多材料3D打印技術制作接觸起電軟機器人結構的可行性。研究人員認為,該方法有可能在未來使用先進傳感功能的機器人應用中得到利用。

快速成型制造和軟機器人技術

3D打印技術已經被用于制造軟性機器人,其應用范圍廣泛,從航空航天工業到醫療用途都有。

來自紐約康奈爾大學的研究人員在2020年1月開發出了一種3D打印的軟機器人肌肉,能夠通過出汗來控制其內部溫度。它那柔軟的手指狀致動器可以保留水分,并對溫度做出反應,從而為自己降溫。

2019年5月,美國宇航局的一對研究人員成功地利用3D打印技術制造出了一個軟性機器人執行器,這是動畫和控制機器人運動部件的關鍵部件。這項研究是對太空中潛在的軟機器人應用的更廣泛調查的一部分。

羅格斯大學-新不倫瑞克分校的研究人員在2018年5月創造了一種新的水凝膠3D打印材料,這種材料非常靈活,可以讓它像人一樣行走。該材料是為醫療行業的應用而開發的,可用于將藥物輸送到身體的目標部位,降低了患者的損傷風險。

研究人員的研究結果在他們題為 “A soft robotic finger with self-powered triboelectric curvature sensor based on multi-material 3D printing.” 的論文中詳細介紹了他們的發現。該研究發表在《Science Direct》期刊上,Mingzhu Zhu, Mengying Xie, Xuanming Lu, Shima Okada, and Sadao Kawamura. 是該研究的共同作者。

責任編輯:gt

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