具有剛性部件的傳統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)通常對(duì)人類操作員構(gòu)成威脅。相比之下，最近蓬勃發(fā)展的軟致動(dòng)器和機(jī)器人提供了對(duì)周圍環(huán)境的出色適應(yīng)性以及與人類安全，共存的相互作用。然而，它們?cè)诔兄厝蝿?wù)方面的能力受到硅橡膠等組成材料固有的低剛度性質(zhì)的影響。

為了尋求能夠提高軟機(jī)器人系統(tǒng)承載能力而不犧牲機(jī)器人 - 物體相互作用時(shí)的柔順性的剛度可調(diào)材料，熱激活形狀記憶聚合物(SMP)作為一種有前途的候選者脫穎而出。SMP不僅能夠?qū)偠瓤赡娴馗淖儍傻饺齻€(gè)數(shù)量級(jí)，而且還兼容3D打印。然而，到目前為止，已經(jīng)報(bào)道了基于SMP的軟致動(dòng)器通常受到諸如響應(yīng)慢，變形小以及具有微觀特征的自動(dòng)化制造中的困難的限制。

來(lái)自新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)(SUTD)和上海交通大學(xué)(SJTU)的研究人員最近提出了一種使用有限元模擬和混合多材料3D打印來(lái)設(shè)計(jì)和制造快速響應(yīng)，剛度可調(diào)(FRST)軟件的范例。能夠在32秒內(nèi)完成軟化 - 硬化循環(huán)的執(zhí)行器。

“我們將商業(yè)噴墨多材料3D打印技術(shù)與直接墨水書寫方法相結(jié)合，制造出我們的全印刷FRST執(zhí)行器，”SUTD科學(xué)與數(shù)學(xué)集群助理教授Qi(Kevin)Ge表示，他是該領(lǐng)域的共同領(lǐng)導(dǎo)者之一。這個(gè)項(xiàng)目。“剛度可調(diào)性由嵌入式SMP層提供，快速響應(yīng)由嵌入式加熱和冷卻元件實(shí)現(xiàn)。”

實(shí)際上，將SMP層集成到執(zhí)行器主體中可將其剛度提高多達(dá)120倍，而不會(huì)犧牲靈活性和適應(yīng)性。印刷有銀納米粒子墨水的可變形導(dǎo)電電路通過(guò)局部焦耳加熱激活SMP的橡膠狀態(tài)。在用加壓空氣使致動(dòng)器變形時(shí)，SMP被冷卻，冷卻劑通過(guò)流體通道驅(qū)動(dòng)以鎖定幾何形狀。

“即使在釋放壓縮空氣后，處于剛性狀態(tài)的變形執(zhí)行器也可以執(zhí)行承載任務(wù)。更重要的是，加熱 - 冷卻循環(huán)可以在大約半分鐘內(nèi)完成，據(jù)我們所知，這是報(bào)告的最快速率， “葛教授說(shuō)。

“我們還建立了計(jì)算模型來(lái)模擬我們FRST執(zhí)行器的機(jī)械和熱電行為，”SUTD的博士后研究員張?jiān)颊f(shuō)道，他是該論文的共同第一作者。“一旦通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這些模型用于指導(dǎo)FRST執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，并提供對(duì)提高負(fù)載能力的見解。”

總的來(lái)說(shuō)，焦耳加熱回路和流體微通道層的設(shè)計(jì)大大減少了加熱 - 冷卻循環(huán)的時(shí)間到約30秒，這顯著提高了熱響應(yīng)剛度可調(diào)軟致動(dòng)器的實(shí)用性，使其適合于進(jìn)一步應(yīng)用。上海交通大學(xué)這個(gè)項(xiàng)目的聯(lián)合負(fù)責(zé)人顧國(guó)英教授說(shuō)：“為了展示我們?cè)偷母哓?fù)載能力和形狀適應(yīng)性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)帶有三個(gè)FRST執(zhí)行器的機(jī)器人手柄，可以任意抓取和提升物體。形狀和各種重量從不到10克到1.5公斤。“