研究人員開發(fā)高精密3D 打印微型執(zhí)行器，可移動小型軟機器人并鎖定為新形狀

2024年6月16日，南極熊獲悉，來自北卡羅來納州立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一款新型微型軟液壓執(zhí)行器，可用于控制厚度不到一毫米的軟機器人的變形和運動。研究人員還證明，該技術(shù)可與形狀記憶材料配合使用，使用戶能夠反復(fù)將軟機器人鎖定為所需形狀，并根據(jù)需要恢復(fù)到原始形狀。

△微型執(zhí)行器驅(qū)動薄帶狀軟機器人。圖片來源：北卡羅來納州立大學(xué) Jie Yin

相關(guān)研究以題為“具有形狀記憶效應(yīng)的全 3D 打印微型軟液壓執(zhí)行器，用于變形和操作”的論文被發(fā)表在《先進(jìn)材料》期刊上。該論文由北卡羅來納州立大學(xué)前博士生洪耀業(yè)、北卡羅來納州立大學(xué)博士后研究員趙耀和李彥斌以及北卡羅來納州立大學(xué)博士生齊方杰共同撰寫。該項工作得到了美國國家科學(xué)基金會 2126072 和 2329674 號資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202402517

該論文的通訊作者、北卡羅來納州立大學(xué)機械與航空航天工程副教授 Jie Yin 說道：“軟機器人技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域都大有可為，但設(shè)計驅(qū)動軟機器人小規(guī)模運動的執(zhí)行器卻極具挑戰(zhàn)性。我們的方法利用市售的多材料 3D 打印技術(shù)和形狀記憶聚合物來創(chuàng)建微尺度的軟執(zhí)行器，使我們能夠控制非常小的軟機器人，從而實現(xiàn)出色的控制和精細(xì)度?！?/div>

新技術(shù)依賴于制造由兩層組成的軟機器人。第一層是使用 3D 打印技術(shù)制造的柔性聚合物，并包含微流體通道圖案——本質(zhì)上是貫穿材料的非常小的管子。第二層是柔性形狀記憶聚合物?？偠灾?，軟機器人只有 0.8 毫米厚。

△與 SME 集成用于形狀變形和形狀鎖定的全 3D 打印微型亞毫米厚軟液壓執(zhí)行器 (MSHA) 的示意圖

通過將流體泵入微流體通道，用戶可以產(chǎn)生液壓，迫使軟機器人移動并改變形狀。微流體通道的圖案控制著軟機器人的運動和形狀變化——無論是彎曲、扭曲還是其他。此外，注入的流體量和注入速度控制著軟機器人的移動速度和施加的力量。

如果用戶希望“凍結(jié)”軟機器人的形狀，他們可以施加適度的熱量（64C 或 147F），然后讓機器人短暫冷卻。這樣可以防止軟機器人恢復(fù)到其原始形狀，即使在微流體通道中的液體被抽出之后也是如此。如果用戶想讓軟機器人恢復(fù)其原始形狀，他們只需在抽出液體后再次加熱，機器人就會恢復(fù)到其原始配置。

該論文的共同主要作者、北卡羅來納州立大學(xué)前博士生 Yinding Chi 說道：“這里的一個關(guān)鍵因素是微調(diào)形狀記憶層相對于包含微流體通道的層的厚度。你需要形狀記憶層足夠薄，以便在施加致動器的壓力時彎曲，但又足夠厚，以使軟機器人即使在壓力消除后也能保持其形狀。”

為了演示該技術(shù)，研究人員制作了一個軟機器人“夾持器”，能夠拾取小物體。研究人員施加液壓，使夾持器夾緊物體。通過加熱，研究人員能夠?qū)A持器固定在“閉合”位置，即使在釋放液壓致動器的壓力后也是如此。然后可以移動夾持器（將其夾持的物體運送到新位置）。然后，研究人員再次施加熱量，使夾持器釋放其拾取的物體。（軟機器人移動視頻鏈接：https://youtu.be/5SIwsw9IyIc）

△3D 打印微型軟液壓執(zhí)行器中的動作演示

論文共同第一作者、北卡羅來納州立大學(xué)博士生 Haitao Qing 說道：“由于這些軟機器人非常薄，我們可以使用小型紅外光源快速輕松地將它們加熱至 64 攝氏度，而且它們冷卻得也很快，所以這一系列操作只需要大約兩分鐘。而且動作不一定非要用夾子夾住，我們還展示了一種受自然界藤蔓啟發(fā)的夾子。這些夾子可以快速纏繞物體并將其緊緊夾住，從而實現(xiàn)牢固抓握。這篇論文是對這項新技術(shù)的概念驗證，我們對這類微型軟執(zhí)行器在小型軟機器人、變形機器和生物醫(yī)學(xué)工程中的潛在應(yīng)用感到非常興奮?！?/div>