3D打印仿生人工肌肉--優(yōu)雅的“GRACE”，一種基于幾何結(jié)構(gòu)來收縮和伸長(zhǎng)的軟體驅(qū)動(dòng)器

來源：EngineeringForLife

盡管人工驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)達(dá)到了肌肉的收縮性能，但肌肉的復(fù)雜排列所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)的多樣性和優(yōu)雅性在很大程度上仍然是無可比擬的。傳統(tǒng)的氣動(dòng)人工肌肉（PAMs）受限于組裝的元件，本質(zhì)上阻礙了小型化、非紡錘形結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，不利于廣泛定制和應(yīng)用人工肌肉技術(shù)。

近日，意大利理工學(xué)院的Barbara Mazzolai團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種褶皺引導(dǎo)變形的氣動(dòng)人工肌肉，命名為基于幾何結(jié)構(gòu)來收縮和伸長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)器（GRACE）。GRACEs由單一材料的褶皺膜組成，不需要任何限制應(yīng)變的元件。它們可以在不同的維度、材料及性能下，通過設(shè)計(jì)進(jìn)行收縮和伸長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)各種栩栩如生的運(yùn)動(dòng)。GRACEs可以通過低成本增材制造來制備，甚至可以直接一步構(gòu)建功能設(shè)備，例如一個(gè)完全3D打印的氣動(dòng)機(jī)器人手（movie 1）。這使得基于氣動(dòng)人工肌肉的設(shè)備，原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造更快、更直接。相關(guān)工作以“3D-printed biomimetic artificial muscles using soft actuators that contract and elongate”為題，于2022年7月27日發(fā)表在《Science Robotic》上。

1. GRACE人工肌肉

圖1 GRACE人工肌肉的概念

GRACEs是高效、方便和通用的人工肌肉（圖1）。GRACE由一個(gè)曲線形狀的薄殼組成，兩端變窄，具有縱向工程褶皺。加壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器隨著褶皺的展開，徑向膨脹。減壓時(shí)，褶皺折疊，導(dǎo)致徑向收縮而縱向伸長(zhǎng)。在GRACEs中，褶皺的曲線輪廓和整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的形狀是關(guān)鍵。GRACEs的功能實(shí)現(xiàn)：驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)的低應(yīng)變幾何轉(zhuǎn)換。

圖2 GRACE肌肉具有可調(diào)節(jié)的力輸出和可擴(kuò)展的尺寸

GRACEs表現(xiàn)出30%以上的沖程，負(fù)載/重量比可高達(dá)數(shù)千。通過設(shè)計(jì)最大限度的收縮、伸長(zhǎng)或拮抗，利用不同的材料，可采用各種規(guī)模的低成本3D打印，也可內(nèi)置在復(fù)雜設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多樣的運(yùn)動(dòng)（圖2）。

2. 幾何模型的建立

圖3 GRACE多參數(shù)模型

首先，研究者通過純幾何學(xué)的方法，建立相應(yīng)的幾何模型，來研究褶皺的形狀如何影響GRACE的行為。窄而深的褶皺可以促進(jìn)收縮（GRACE-C），寬而淺的褶皺可以促進(jìn)伸長(zhǎng)（GRACE-E），而收縮和伸長(zhǎng)均表現(xiàn)良好的褶皺拮抗性最好（GRACE-A）。通過有限元分析，確定合適的壁厚和材料。結(jié)構(gòu)表明，只要使用更硬的材料或更厚的膜壁，就可以增加GRACEs的工作壓力范圍和由此產(chǎn)生的輸出力。（圖3）

3. 驅(qū)動(dòng)性能的表征

圖4 GRACE肌肉的表征和耐久性

接著，根據(jù)幾何模型的模擬結(jié)果，研究者通過低成本桌面3D打印機(jī)和商業(yè)材料直接打印了不同的GRACE，并研究了其驅(qū)動(dòng)性能（圖4）。與骨骼肌相比，GRACEs表現(xiàn)出類似的變形和較低的力。本文所采用的打印材料具有光彈性，能夠在驅(qū)動(dòng)過程中，捕捉到物體應(yīng)力應(yīng)變分布產(chǎn)生的條紋圖案，直觀觀察到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中是否有應(yīng)力殘余，有利于研究GRACEs的制備工藝。1000次耐久性測(cè)試，均未觀察到明顯的損壞或永久形變，表明GRACEs能夠輕松承受多個(gè)驅(qū)動(dòng)周期。

4. 基于GRACE的“機(jī)器人手”

圖5 基于GRACE的“氣動(dòng)機(jī)器人手”

  
最后，為了展示GRACE卓越的多功能性，研究者3D打印了一個(gè)完整的基于GRACE的氣動(dòng)機(jī)器人手（圖5）。通過將GRACE進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)、對(duì)立配置、變換尺寸或是直接嵌入來展示各種平滑運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人手通過單一材料直接3D打印整體結(jié)構(gòu)，無需組裝，可隨時(shí)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

綜上，與最先進(jìn)的PAMs相比，GRACE的通用性更高，可設(shè)計(jì)性更強(qiáng)，可以一步到位地制造具有復(fù)雜驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)仿生運(yùn)動(dòng)。GRACEs的開發(fā)過程包括：建模、基于有限元分析的細(xì)化、增材制造，適合自動(dòng)化大規(guī)模定制，允許根據(jù)需求直接生產(chǎn)不同的GRACEs。任何擁有桌面3D打印機(jī)的人都可以輕易開發(fā)基于GRACE的設(shè)計(jì)和設(shè)備。在未來的研究中，作者將進(jìn)一步利用GRACEs來模仿動(dòng)物王國(guó)中肌肉的排列變化，以實(shí)現(xiàn)生物啟發(fā)機(jī)器的開發(fā)。

文章來源：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abn4155