研究人員構(gòu)建機(jī)器人手指用于制造可控的軟性機(jī)器人

2020年6月1日，南極熊從外媒獲悉，由浙江工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、南京理工大學(xué)和日本立命館大學(xué)的研究人員組成的聯(lián)合體，利用3D打印技術(shù)制造出了一種柔軟的機(jī)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(yīng)彎曲曲率，不需要外部電源，就能實(shí)現(xiàn)加法數(shù)字的彎曲曲率。該裝置的制作是作為一個(gè)概念證明，多材料3D打印不僅可以用來制造軟執(zhí)行器，還可以制造功能性傳感器。研究人員希望這項(xiàng)創(chuàng)新能夠用于制造可控的軟性機(jī)器人。

構(gòu)建機(jī)器人手指的獨(dú)特方法

隨著軟質(zhì)機(jī)器人研究的進(jìn)步和新的制造方法的發(fā)展，人與機(jī)器人的交互方式也越來越安全，并為該技術(shù)開辟了新的應(yīng)用空間。例如，現(xiàn)在已經(jīng)可以直接打印出具有氣密復(fù)雜結(jié)構(gòu)和硬部件的軟機(jī)器人。這一發(fā)展帶來了一些創(chuàng)新，如2015年Wyss研究所生產(chǎn)的3D打印跳樓機(jī)器人等。

其他的軟性機(jī)器人項(xiàng)目，比如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)材料的軟性傳感器集成到他們的軟性機(jī)器人設(shè)計(jì)中。不過據(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、電纜連接不穩(wěn)定、系統(tǒng)組裝復(fù)雜、系統(tǒng)集成困難等。

因此，研究團(tuán)隊(duì)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(jī)器人手指主動感知和實(shí)時(shí)感知其變形或反應(yīng)。在此過程中使用3D打印也使團(tuán)隊(duì)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(shí)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(xiàng)目相同的集成復(fù)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(gè)充氣室組成，連接到一個(gè)主氣道，每個(gè)充氣室的形狀為長方形，為S-TECS圖案的打印提供了一個(gè)平面。硬強(qiáng)化的充氣室寬度為2毫米，兩端有兩個(gè)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(jù)其腔體結(jié)構(gòu)，加法數(shù)只能向一個(gè)方向彎曲。當(dāng)手指彎曲時(shí)，S-TECS的頂層開始向底層靠近，直到完全接觸，激活接觸電，并產(chǎn)生電流。

該器件是用Stratasys公司的多材料Objet350 3D打印機(jī)制作的，分為兩部分：強(qiáng)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(gè)制造過程，減少生產(chǎn)時(shí)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?yàn)槠淇估瓘?qiáng)度為2.75MPa，斷裂伸長率為250%。在室溫下進(jìn)行了24小時(shí)的固化，當(dāng)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(jié)構(gòu)、施加在它身上的力和工作頻率的自動化設(shè)置，測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性材料集成在一起，并沒有發(fā)現(xiàn)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，傳感器被證明能夠測量手指曲率高達(dá)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(shù)制作接觸起電軟機(jī)器人結(jié)構(gòu)的可行性。研究人員認(rèn)為，該方法有可能在未來使用先進(jìn)傳感功能的機(jī)器人應(yīng)用中得到利用。

快速成型制造和軟機(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，其應(yīng)用范圍廣泛，從航空航天工業(yè)到醫(yī)療用途都有。

來自紐約康奈爾大學(xué)的研究人員在2020年1月開發(fā)出了一種3D打印的軟機(jī)器人肌肉，能夠通過出汗來控制其內(nèi)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(yīng)，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(shù)制造出了一個(gè)軟性機(jī)器人執(zhí)行器，這是動畫和控制機(jī)器人運(yùn)動部件的關(guān)鍵部件。這項(xiàng)研究是對太空中潛在的軟機(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，可以讓它像人一樣行走。該材料是為醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用而開發(fā)的，可用于將藥物輸送到身體的目標(biāo)部位，降低了患者的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

研究人員的研究結(jié)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(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。該研究發(fā)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。