3D打印具有流體電路的柔性機器人手指橫空出世！

江蘇激光聯(lián)盟導讀：

在最新一期《Science Advances》的封面上突出展示了軟機器人領(lǐng)域的一項有前途的創(chuàng )新，該領(lǐng)域的重點(diǎn)是創(chuàng )造新型的柔性充氣機器人，這些機器人使用水或空氣而不是電力提供動(dòng)力。軟機器人固有的安全性和適應性引起了人們對其在假肢和生物醫學(xué)設備等應用中使用的興趣。不幸的是，控制使這些軟機器人彎曲和移動(dòng)的流體一直特別困難直到現在。



在過(guò)去的十年中，軟機器人領(lǐng)域已經(jīng)證明自己特別適合于使用傳統的剛性機器人難以或不可能實(shí)現的應用。對由流體裝置（例如液壓和/或氣動(dòng)）驅動(dòng)的柔性材料的依賴(lài)為軟機器人帶來(lái)了許多固有的好處，特別是在人機交互的安全性、較低的成本和幾何形狀的適應性方面復雜和/或精致的物體。然而，目前，軟機器人實(shí)用性的一個(gè)關(guān)鍵障礙源于增加獨立操作的軟執行器（或自由度）的數量通常需要相同或更多數量的不同控制輸入的要求。為了減少或消除對此類(lèi)外部控制方案的需求，研究人員研究了多種通過(guò)流體邏輯增強軟機器人自主性的方法。

與將獨立流體電路手動(dòng)連接到軟機器人的努力相比，人們對將此類(lèi)功能直接嵌入軟機器人系統的能力越來(lái)越感興趣。然而，自推出以來(lái)，這種制造方法尚未在軟機器人社區中得到廣泛采用，這可能是由于依賴(lài)于基于軟光刻的流體回路。具體而言，將多層軟光刻方法用于集成流體電路制造提出了許多挑戰，包括與以下方面相關(guān)的挑戰：(i) 執行微制造協(xié)議的成本、時(shí)間和/或勞動(dòng)力要求；(ii) 訪(fǎng)問(wèn)和培訓限制（例如，使用潔凈室設施和設備）；(iii) 由于基于用戶(hù)技能的手動(dòng)對齊步驟，設備功效和/或再現性的可變性；(iv) 光刻和微成型工藝固有的幾何（即平面或“2.5D”）限制。此外，雖然研究人員已經(jīng)展示了廣泛的流體閥門(mén)功能，但基于此類(lèi)制造方法，實(shí)現更復雜的功能，尤其是那些基于壓力增益操作的功能并不簡(jiǎn)單。

在這里，來(lái)自馬里蘭大學(xué)的研究人員提出了一種新穎的策略，通過(guò)多材料“PolyJet 三維（3D）打印”（圖 1）在單次打印中增材制造具有完全集成流體電路的統一軟機器人系統。最初，可以在計算機輔助設計 (CAD) 軟件中設計和組裝模塊化組件，例如流體電路元件、互連件和接入端口以及軟機器人執行器和結構構件（圖 1A），以生成 3D 模型具有完全集成流體電路的軟機器人（圖 1B）。盡管研究人員在軟機器人和流體電路領(lǐng)域使用了廣泛的增材制造技術(shù)，但她們認為 PolyJet 3D 打印特別適合同時(shí)制造這兩類(lèi)系統作為統一實(shí)體. PolyJet 打印是一種基于噴墨（“材料噴射”）的過(guò)程，在該過(guò)程中，多種光反應性和犧牲性支撐材料并行分配（具有持續的紫外線(xiàn)劑量），以逐行、逐層的方式生產(chǎn)3D對象。此前，研究人員曾報道過(guò)使用 PolyJet 打印構建軟執行器和機器人（即，沒(méi)有流體電路）以及獨立的流體閥。然而，在這項工作中，研究人員增材制造了完全集成的軟機器人系統即，包括所有的軟執行器；身體特征（任意設計）；和流體電路元件、互連件和端口在單次印刷中（圖 1、C 和 D）。這個(gè)過(guò)程需要同時(shí)打印三種不同的材料：（i）柔順的光聚合物（圖 1C，黑色），（ii）剛性光塑材料（圖 1C，白色），和（iii）犧牲水溶性支撐材料（圖 1C，黃色）。使用犧牲支撐材料的一個(gè)警告是，它必須在打印過(guò)程后從外部區域以及內部空隙和通道中去除或溶解（圖 1E）。研究人員已經(jīng)展示了許多技術(shù)來(lái)最小化 (42, 43) 甚至完全繞過(guò)支撐去除過(guò)程 (40, 44)；然而，為了促進(jìn)廣泛的可及性，我們在這里使用了一種混合方法，該方法將手動(dòng)去除步驟（例如，數十分鐘的數量級）與自主溶解協(xié)議相結合。結合起來(lái)，基于 PolyJet 的增材制造和后處理方法的整體其中絕大多數是自主的可以在不到一天的時(shí)間內執行，以實(shí)現具有完全集成流體電路的 3D 多材料軟機器人（例如，圖 1F）。



▲ PolyJet 3D 打印統一軟機器人系統的設計和增材制造策略，包括在單次打印中完全集成的流體電路

▲圖解：(A) 模塊化 3D CAD 模型和流體電路元件、流體互連、軟致動(dòng)器和結構外殼的類(lèi)似電子電路符號。(B) 具有完全集成的流體振蕩器電路的統一軟機器人的 CAD 模型和相應的模擬電路圖。(C) 多材料 PolyJet 3D 使用柔順（黑色）、剛性（白色）和水溶性支撐（黃色）材料打印軟機器人的概念圖。(D) PolyJet 3D 打印過(guò)程的順序延時(shí)圖像。比例尺，5 厘米。(E 和 F) 在去除支撐材料之前和 (F) 之后，具有集成流體電路 (E) 的統一多材料軟機器人的制造結果。比例尺，2 厘米。

以前，軟機械手的每個(gè)手指通常都需要自己的控制線(xiàn)，這會(huì )限制便攜性和實(shí)用性。但是通過(guò)使用該集成流體晶體管 3D打印機械手，它可以根據一個(gè)壓力輸入來(lái)玩任天堂游戲。

作為演示，該團隊設計了一個(gè)集成的流體回路，允許手根據單個(gè)控制壓力的強度進(jìn)行操作。例如，施加低壓力導致只有食指按壓任天堂控制器使馬里奧行走，而高壓力導致馬里奧跳躍。在設定程序的引導下，自動(dòng)在關(guān)閉、低、中和高壓之間切換，機械手能夠按下控制器上的按鈕，在不到 90 秒的時(shí)間內成功完成超級馬里奧兄弟的第一關(guān)。



目前，該團隊正在探索將他們的技術(shù)用于生物醫學(xué)應用，包括康復設備、手術(shù)工具和可定制的假肢。由于 Sochol 是 Fischell 生物工程系的附屬教師，也是馬里蘭機器人中心和 Robert E. Fischell 生物醫學(xué)設備研究所的成員，因此該團隊擁有一個(gè)特殊的環(huán)境，可以繼續推進(jìn)他們的戰略，以應對緊迫的挑戰。生物醫學(xué)領(lǐng)域。