軟機(jī)器人是一類由合規(guī)材料制成的機(jī)器人系統(tǒng)，能夠安全地適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。他們最近看到了快速的增長(zhǎng)，并采用了多種設(shè)計(jì)，涵蓋從米到亞微米的多種長(zhǎng)度刻度。

特別地，毫米級(jí)的小型軟機(jī)器人具有實(shí)際意義，因?yàn)樗鼈兛梢栽O(shè)計(jì)為由氣動(dòng)簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)的微型執(zhí)行器的組合。它們也非常適合在狹窄區(qū)域內(nèi)導(dǎo)航和操縱小物體。

但是，將軟氣動(dòng)機(jī)器人縮小到毫米會(huì)導(dǎo)致更精細(xì)的功能，這些功能減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。當(dāng)此類機(jī)器人采用傳統(tǒng)工藝(如成型和軟光刻)制造時(shí)，其設(shè)計(jì)復(fù)雜性要求很高的精致度。盡管新興的3-D打印技術(shù)(如數(shù)字光處理(DLP))提供了較高的理論分辨率，但如何處理微尺度的空隙和通道而又不會(huì)造成堵塞仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。確實(shí)，很少有成功的3D打印微型軟氣動(dòng)機(jī)器人示例。

最近，來自新加坡和中國(guó)的研究人員，即來自新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)(SUTD)，南方科技大學(xué)(SUSTech)和浙江大學(xué)(ZJU)的研究人員，提出了指導(dǎo)DLP 3-D打印的通用工藝流程。適用于軟機(jī)器人的微型氣動(dòng)執(zhí)行器，總尺寸為2-15 mm，特征尺寸為150-350μm(請(qǐng)參見圖片)。他們的研究發(fā)表在先進(jìn)材料技術(shù)雜志上。

“我們利用DLP 3-D打印的高效率和分辨率來制造微型軟機(jī)器人執(zhí)行器，”研究項(xiàng)目首席研究員SUSTech的Qi(Kevin)副教授說。“為確保印刷產(chǎn)品中可靠的印刷保真度和機(jī)械性能，我們引入了一種新的范例，用于系統(tǒng)有效地調(diào)整材料配方和關(guān)鍵加工參數(shù)。”

在DLP 3-D打印中，通常將光吸收劑添加到聚合物溶液中，以提高橫向和垂直方向的打印分辨率。同時(shí)，過度增加劑量會(huì)導(dǎo)致材料的彈性迅速降低，這對(duì)于軟機(jī)器人維持較大的變形至關(guān)重要。

“為實(shí)現(xiàn)合理的權(quán)衡，我們首先選擇了在投射的紫外線波長(zhǎng)處具有良好吸收率的光吸收劑，并根據(jù)機(jī)械性能測(cè)試確定了合適的材料配方。接下來，我們將固化深度和XY保真度表征為確定合適的曝光時(shí)間和切片厚度的組合。” SUTD的第一作者張?jiān)冀忉屨f。

“通過遵循這一流程，我們能夠在自建的多材料3D打印系統(tǒng)上生產(chǎn)各種具有各種結(jié)構(gòu)和變形模式的微型軟氣動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行器，所有這些結(jié)構(gòu)和變形模式都小于一枚新加坡元硬幣。該方法應(yīng)與商業(yè)立體光刻(SLA)或DLP 3-D打印機(jī)兼容，因?yàn)椴恍枰魏斡布薷摹?rdquo; SUSTech的相應(yīng)作者Qi Ge教授說。

為了舉例說明潛在的應(yīng)用，研究人員還設(shè)計(jì)了一種軟碎屑清除器，該碎屑清除器包括一個(gè)連續(xù)操縱器和一個(gè)3-D打印的微型軟氣動(dòng)夾具。它可以在狹窄的空間中導(dǎo)航，并在難以到達(dá)的位置收集小物體。

所提出的方法為具有復(fù)雜幾何形狀和復(fù)雜的多材料設(shè)計(jì)的3D打印微型軟機(jī)器人鋪平了道路。將印刷的微型軟氣動(dòng)執(zhí)行器集成到機(jī)器人系統(tǒng)中，為諸如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)和微創(chuàng)外科手術(shù)等潛在應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。