研究人員巧用“FDM擠壓不足”開(kāi)發(fā)3D打印仿生機(jī)器人，且效果更優(yōu)

2025年2月18日，南極熊獲悉，特溫特大學(xué)(UT) 和南丹麥大學(xué)(SDU)的研究人員想出了一個(gè)巧妙的方法來(lái)加強(qiáng)混合機(jī)器人中軟材料和剛性材料之間的聯(lián)系，這是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)持續(xù)挑戰(zhàn)。

有趣的是，他們的方法將日常FDM打印過(guò)程中常遇到的“擠壓不足”問(wèn)題轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)。通過(guò)故意讓打印機(jī)創(chuàng)建多孔結(jié)構(gòu)，他們找到了一種提高材料間粘合性的方法。此外，這種方法適用于標(biāo)準(zhǔn)熔融沉積成型 (FDM) 打印機(jī)，因此比需要昂貴的多材料打印機(jī)的現(xiàn)有解決方案更容易使用。

△仿生混合夾鉗模仿人類(lèi)指甲，其特點(diǎn)是剛性指甲板粘合在多孔網(wǎng)上，復(fù)制了指甲和甲床之間的天然粘合。圖片來(lái)自 UT

相關(guān)研究以題為 “Bio-inspired 3D printing approachfor bonding soft and rigid materials through underextrusion”的論文發(fā)表在《自然》雜志上，作者包括南達(dá)科他大學(xué)的研究人員 Arman Goshtasbi、德克薩斯大學(xué)的 Luca Grignaffini 和 Ali Sadeghi。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-024-84525-7#author-information

模仿自然來(lái)增強(qiáng)機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人中的軟部件和硬部件各有優(yōu)勢(shì)，但如何讓它們正確粘合一直是一件棘手的事情。這些材料處理應(yīng)力的方式不同，這往往會(huì)導(dǎo)致粘合力較弱，而傳統(tǒng)的粘合方法（如粘合劑）在機(jī)械應(yīng)變下會(huì)成為失效點(diǎn)。

然而，大自然提供了一種解決方案。就像生物結(jié)締組織無(wú)縫連接肌肉和骨骼一樣，研究人員開(kāi)發(fā)出了一種纖維狀多孔結(jié)構(gòu)，可以加強(qiáng)軟質(zhì)和硬質(zhì)材料之間的連接。

這種方法反映了肌腱、韌帶和其他自然界面如何分配壓力，從而防止突然的機(jī)械故障。通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，他們微調(diào)了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和靈活性最佳平衡所需的孔隙率，標(biāo)志著仿生機(jī)器人技術(shù)向前邁進(jìn)了一步。

數(shù)字說(shuō)明了一切。在搭接剪切和剝離測(cè)試中，這種方法比傳統(tǒng)粘合劑的性能高出 200%。使用 Ecoflex 00-10 和 DragonSkin 10 硅橡膠進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，與常用粘合劑相比，粘合力明顯更強(qiáng)，使軟機(jī)器人具有更好的耐用性。

對(duì)于氣動(dòng)軟機(jī)器人而言，氣密密封至關(guān)重要，該方法也顯示出了良好的效果。在模擬壓力條件下，使用該技術(shù)形成的粘合力比使用粘合劑粘合的粘合力高出三倍，增強(qiáng)了其在充氣和混合機(jī)器人系統(tǒng)中的潛力。

通過(guò)提供一種簡(jiǎn)單、低成本的方式來(lái)在不同材料之間建立牢固的結(jié)合，這種方法可以改變混合機(jī)器人的制造方式。應(yīng)用可以擴(kuò)展到任何機(jī)械可靠性至關(guān)重要的環(huán)境，為軟機(jī)器人開(kāi)辟新的可能性。

據(jù)研究人員稱(chēng)，未來(lái)的工作可能會(huì)探索通過(guò)模仿自然界軟硬材料之間的逐漸過(guò)渡來(lái)進(jìn)一步完善這項(xiàng)技術(shù)的方法。使用 ABS 和 PETG 等替代 3D 打印材料進(jìn)行測(cè)試也可以揭示使粘合力更強(qiáng)的方法。

△搭接剪切和剝離試驗(yàn)結(jié)果。圖片來(lái)自 UT

仿生機(jī)器人研究

過(guò)去，3D 打印已為多種獨(dú)特的仿生機(jī)器人的開(kāi)發(fā)做出了貢獻(xiàn)。加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員做出了一項(xiàng)顯著貢獻(xiàn)，他們介紹了一種更經(jīng)濟(jì)的3D 打印軟體昆蟲(chóng)機(jī)器人的方法。他們的柔性骨架打印方法可與標(biāo)準(zhǔn) FDM 打印機(jī)配合使用，將剛性細(xì)絲層疊在加熱的熱塑性基座上。

柔性骨骼制造技術(shù)靈感來(lái)自昆蟲(chóng)的外殼。圖片來(lái)自 Soft Robotics

這種方法簡(jiǎn)化了生產(chǎn)，無(wú)需昂貴的多材料 3D 打印，使軟機(jī)器人更容易實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)從昆蟲(chóng)外骨骼中汲取靈感，平衡了靈活性和結(jié)構(gòu)支撐。在測(cè)試中，打印的機(jī)器人表現(xiàn)出了更好的強(qiáng)度和耐用性，原型成功自行行走。

2022 年，薩里大學(xué)的一名學(xué)生開(kāi)發(fā)了一款3D 打印機(jī)器魚(yú)，用于從水道中收集微塑料。這款名為 Gillbert 的機(jī)器人由埃莉諾·麥金托什于 2022 年發(fā)明，具有鰓狀結(jié)構(gòu)和細(xì)網(wǎng)，可捕獲小至兩毫米的塑料顆粒，同時(shí)允許水通過(guò)。

這款設(shè)計(jì)贏得了2022 年自然機(jī)器人大賽，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和英國(guó)湖泊中成功進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)時(shí)，它是遠(yuǎn)程控制的，未來(lái)計(jì)劃包括提高其游泳速度和自主性。