加州大學(xué)使用3D打印創(chuàng)建“類似于昆蟲”的軟機(jī)器人

來源：未知大陸

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)在對人類不安全的地方(如災(zāi)難或戰(zhàn)爭地區(qū))打開新的應(yīng)用。

“我們希望這些柔韌性骨架將引導(dǎo)創(chuàng)建一類新型的、受生物啟發(fā)的軟機(jī)器人，”圣地亞哥加州大學(xué)雅各布工程學(xué)院的機(jī)械工程教授尼克·格拉維什說。 “我們希望使全世界的研究人員更容易構(gòu)建軟機(jī)器人�！�

使3D打印軟機(jī)器人更容易使用
根據(jù)研究人員的說法，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。

以前創(chuàng)建昆蟲靈感機(jī)器人的嘗試需要使用多材質(zhì)3D打印機(jī)和多步鑄造過程。例如，羅切斯特大學(xué)（University of Rochester）的科學(xué)家在2015年創(chuàng)造了以水騎手為靈感的跳躍性機(jī)器人昆蟲。不過，根據(jù)圣地亞哥研究人員的說法，這種受生物啟發(fā)的機(jī)器人看上去更像是剛性的工業(yè)機(jī)器人，包括僵硬的鏈接和剛性高傳動比的電動機(jī)。最近，機(jī)器人專家開始使用多材料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@取昂貴且耗時的制造工具為代價，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，而是通過將3D剛性細(xì)絲直接打印到加熱的熱塑性薄膜上，來制造軟機(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。

柔性骨架的制造技術(shù)受到昆蟲外殼的啟發(fā)

增材制造“類昆蟲”軟機(jī)器人
在標(biāo)準(zhǔn)FDM 打印中，塑料絲（例如ABS或聚乳酸（PLA））通過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程也不需要額外的粘合劑或固化劑，因?yàn)殚L絲在擠出過程中直接粘合到基礎(chǔ)層上。

為了測試所生產(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)通過拍攝未加載光束偏轉(zhuǎn)角的圖像來測量光束的蠕變角，該圖像是在測試前從中立位置測量的。通過添加聚碳酸酯（PC）層，圣地亞哥的研究人員發(fā)現(xiàn)，他們能夠在300個負(fù)載循環(huán)周期內(nèi)將3D打印光束的蠕變變形降低70％。

為了演示使用撓性骨骼生產(chǎn)方法生產(chǎn)的機(jī)器人的行走能力，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個由腱驅(qū)動的四足步行機(jī)器人。該機(jī)器人的底盤由全柔性骨骼生產(chǎn)的四肢設(shè)計(jì)和組裝，由四個微型伺服器驅(qū)動。兩條腿的長度為70毫米，每條腿花費(fèi)30分鐘進(jìn)行3D打印，并具有兩個關(guān)節(jié)：一個彎曲和一個伸展。整個機(jī)器人生產(chǎn)完成（大約需要三個小時）后，將每個肢體插入到機(jī)器人底盤（主體）中，并通過一根腱和絞盤與一個微型伺服器連接。最終產(chǎn)品具有可互換的支腿，這些支腿針對不同的地形而設(shè)計(jì)，并且在測試過程中，完成的機(jī)器人可以達(dá)到每秒近5厘米的速度。

flexoskelton機(jī)器人的外部結(jié)構(gòu)不僅可以保護(hù)其內(nèi)部組件，而且可以混合使用軟和剛性組件，從而可以以復(fù)雜的3D布置進(jìn)行生產(chǎn)。根據(jù)Gravish的說法，用于創(chuàng)建機(jī)器人的創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)可能允許生產(chǎn)用于工廠環(huán)境的新型多功能機(jī)器人。

“最終目標(biāo)是創(chuàng)建一條無需手工組裝即可打印整個柔性骨架機(jī)器人的裝配線。一小群這樣的小型機(jī)器人可以獨(dú)自完成一個大型機(jī)器人的工作，甚至更多�！� Gravish說。

柔性骨架機(jī)器人的構(gòu)建過程

3D打印中的軟機(jī)器人
近年來，對軟機(jī)器人的增材制造的研究采取了多種形式。例如，在2020年1月，康奈爾大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種3D打印的軟機(jī)器人肌肉，能夠“排汗”。使用基于水凝膠的復(fù)合樹脂和立體平版印刷術(shù)（SLA），生產(chǎn)出可以保留水并響應(yīng)溫度的柔軟的手指狀致動器。

2019年8月，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）的研究人員創(chuàng)建了多色3D打印傳感器，以幫助軟機(jī)器人提高自我意識和適應(yīng)性。通過創(chuàng)新一種靈活的嵌入式3D打印傳感方法，研究人員增加了機(jī)器人與物體之間的相互作用。

兩位NASA研究人員宣布，他們已在3D打印中使用了3D打印技術(shù)，從而在2019年5月生產(chǎn)出了一個軟機(jī)器人致動器。該新組件負(fù)責(zé)為機(jī)器人的運(yùn)動部件提供動畫和控制功能，代表了將軟機(jī)器人技術(shù)帶入太空的重要一步。