3D打印軟機器人再登《Advanced Materials》

導讀：還記得全3D打印流體電路軟機器烏龜以及會玩馬里奧的機器手么（詳情請參考：全3D打印流體電路軟機器人，美國馬里蘭大學《Science Advances》）？如果不記得的話，那么新的3D打印軟機器鰩魚可以了解一下！

南極熊獲悉，華盛頓州立大學、新加坡科技與設計大學和科羅拉多大學丹佛分校學者們提出了一種設計和直接制造新型軟復合結(jié)構(gòu)的方法，利用計算拓撲優(yōu)化以及彈性有機硅聚合物制造軟復合結(jié)構(gòu)。團隊將這種方法結(jié)合仿生設計制造了一種鰩魚形態(tài)的軟機器人，并模擬游泳狀態(tài)。

△軟復合材料。A) 剛性基質(zhì)中軟纖維狀的E3DP以調(diào)整機械性能：嵌入儲層（材料 2）中的短纖維狀陣列（材料 2）有助于調(diào)整復合結(jié)構(gòu)的拉伸性能。B) 軟復合材料的測試樣品。C) 復合材料樣品及其單個組件拉伸試驗的應力-應變曲線。

材料和結(jié)構(gòu)在軟機器人性能方面起著關(guān)鍵作用，然而，當前的設計和制造方法在復雜結(jié)構(gòu)和功能上存在一定的限制，并阻礙了軟機器人的性能。在本篇論文里，研究團隊將拓撲優(yōu)化（TO）與增材制造相結(jié)合，受到鰩魚啟發(fā)制造軟機器人，并利用鰭的水下運動作為實驗工具針對運動學進行研究。

△制作軟蝙蝠形機器人。A) 機器人本體使用FFF制造。B) 內(nèi)部組件（例如，制動器、傳感器、電池等），分配器將主體基質(zhì)材料沉積在模具內(nèi)部。C) 精密分配器將最佳圖案嵌入彈性體墨水。D) 將具有各向同性材料的各種墨水嵌入各向同性基體材料中。E) 鰭打�。和ㄟ^DIW沉積鰭水庫。F) 鰭片打�。簭秃侠w維E3DP。G) 復合翅片。H) 成品軟鰩魚機器人復合鰭。I) 各向同性硬鰭。J) 優(yōu)化的復合鰭。

團隊改進了市售的多用途3軸運動控制3D打印機（System 30M，Hyrel Inc.），以及一個可容納多達四個打印頭的托架工具。FFF制造工藝使用廠商配置打印頭（MK1-250，Hyrel Inc），而流體分配使用氣動流體分配系統(tǒng)（Ultimus V，Nordson EFD）與通過定制適配器連接到3D打印機的針頭和注射器。G代碼使用開源Slic3r包的定制版本，從CAD數(shù)據(jù)自動生成，并針對復雜結(jié)構(gòu)對核心包進行了大量修改。拓撲優(yōu)化被用于設計具有復雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復合軟鰭，通過微調(diào)模擬鰭的振蕩行為。這種軟機器人在設計和制造的兩個關(guān)鍵步驟實現(xiàn)自動化：i) 使用TO的復合結(jié)構(gòu)設計和 ii) 在單個制造中心制造復雜結(jié)構(gòu)，這極大地促進了定制能力軟機器人制造的發(fā)展。

△軟機器人設計與拓撲優(yōu)化。A)機器人組件：兩個伺服驅(qū)動的襟翼激發(fā)胸鰭振動。內(nèi)部微控制器單元、可充電電池和感應充電單元可實現(xiàn)完全自主。B) 類鰩魚鰭運動學和相關(guān)參數(shù)。 C) 大胸鰭（淺灰色）模型。黑色鰭區(qū)域表示嵌入的擋板位置，紅色邊緣是固定的，藍色和綠色邊緣代表鰭的自由邊界。D)不同材料區(qū)域的初始和優(yōu)化設計，以及通過短黑線表示的最佳纖維方向。E) 優(yōu)化目標z，相對于初始誤差與迭代次數(shù)進行歸一化。F) 從模擬（黑色曲線）和實驗（藍色曲線）與目標運動學（紅色曲線）獲得的最佳設計的同相（實線）和異相（虛線）偏轉(zhuǎn)的比較。G）從模擬獲得的不同時間的最佳翅片設計的跨度（即（C）中的藍色邊緣）撓度，H）從實驗獲得的跨度翅片撓度。

軟機器鰩魚具有大鰭，可以像真的生物行為一樣運動，通過推進器（鰭）的變化會對機動性和推進力產(chǎn)生顯著影響。每個軟鰭具有一個柔性擋板，由伺服電機驅(qū)動，用于激發(fā)鰭振蕩。機器人配備觸發(fā)板載ArduinoUno微控制器，并由可充電鋰電池供電。模型長180毫米，具有中等浮力，并使用鉑催化有機硅聚合物完全封裝。

△軟機器人性能表征的實驗裝置。A) 三個鰭片（鰭片A、鰭片D和復合鰭片）在下劃結(jié)束時的側(cè)視圖快照。B) 長120厘米、寬120厘米、深70厘米的鋼化玻璃水箱。C) 力和扭矩測量實驗裝置的細節(jié)。D) 有效波長。

與傳統(tǒng)軟機器人制造方法相比，本研究中提出的集成制造工藝能夠以更少的人工干預實現(xiàn)優(yōu)化材料特性分布，在新的復雜度水平上產(chǎn)生所需的身體運動學。通過將自動化材料混合過程納入制造，消除手動步驟，例如工具更換和材料重新填充。進一步的工作可以通過更集成的方式為E3DP刀具路徑自動生成G代碼，并帶有線框或類似矢量的打印移動（具有方向性）。另外，還可以將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為刀具路徑和機器控制程序，以及提高分辨率增加纖維密度，完善鰭片并實現(xiàn)自動化。

參考文獻：Boddeti, N., Van Truong, T.,Joseph, V., Stalin, T., Calais, T., Lee, S., Dunn, M. and Valdivia y Alvarado,P., 2021. Optimal Soft Composites for Under‐Actuated Soft Robots. AdvancedMaterials Technologies, p.2100361.

文獻地址：https://doi.org/10.1002/admt.202100361