3D打印軟機器人執(zhí)行器提高了工廠的地板安全性

中國的研究人員使用多材料3D打印設(shè)計了一種軟機器人執(zhí)行器，可以響應(yīng)承重負載，快速響應(yīng)以幫助在類似任務(wù)中與剛性機器人競爭。去年年底，一家中國工廠發(fā)生了一場可怕的機器人事故，這一事故造成一名工人被尖刺刺穿，這表明與剛性部件機器人接近或相互作用可能會非常危險。出于這個原因，研究人員正在推進機器人的設(shè)計和開發(fā)，其中軟驅(qū)動器和其他部件可以與剛性機器人相媲美。

來自新加坡科技與設(shè)計大學(xué)(SUTD)和上海交通大學(xué)(SJTU)的跨機構(gòu)和學(xué)科團隊開發(fā)了一種新方法，用于制造他們稱之為“快速響應(yīng)，剛度可調(diào)”(FRST)的軟驅(qū)動器?？梢栽诔兄厝蝿?wù)中顯示出前所未有的響應(yīng)能力。研究人員在高級功能材料雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于他們工作的論文。

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軟機器人可以輕松適應(yīng)周圍環(huán)境，并提供與人類安全，共存的互動。然而，軟機器人執(zhí)行承重任務(wù)以及更嚴(yán)格的對應(yīng)物通常具有挑戰(zhàn)性。

這可能會隨著新的執(zhí)行器而改變，這些執(zhí)行器由形狀記憶聚合物(SMP)制成，并使用混合多材料3D打印進行設(shè)計和開發(fā)。根據(jù)研究論文，執(zhí)行器可以在32秒內(nèi)完成軟化加強循環(huán)，顯示出與剛性部件制成的機器人類似的提升物體的能力。

設(shè)計的關(guān)鍵是使用SMP，它們能夠?qū)⒂捕瓤赡娴馗淖儍傻饺齻€數(shù)量級并且兼容3D打印。然而，研究人員表示，在過去，基于SMP的軟驅(qū)動器通常受到響應(yīng)緩慢，變形小以及具有微觀特征的自動化制造困難的限制。

這項新工作通過將商業(yè)噴墨多材料3D打印技術(shù)與直接墨水書寫方法結(jié)合起來解決了這些問題，SUTD科學(xué)與數(shù)學(xué)集群的助理教授Qi(Kevin)Ge表示，他是此項聯(lián)合負責(zé)人項目。

Ge說，研究人員使用嵌入式SMP層實現(xiàn)了執(zhí)行器的剛度可調(diào)性，而嵌入加熱和冷卻元件可以實現(xiàn)設(shè)備的快速響應(yīng)。實際上，SMP層與執(zhí)行器主體的集成在不犧牲靈活性和適應(yīng)性的情況下將其剛度提高了120倍。

具體而言，研究人員使用印刷有銀納米粒子墨水的可變形導(dǎo)電電路通過局部焦耳加熱來激活SMP的橡膠狀態(tài)。Ge說，一旦執(zhí)行器被加壓空氣變形，該過程就會使用冷卻液驅(qū)動通過流體通道來鎖定幾何結(jié)構(gòu)并降低SMP的溫度。

“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)，”Ge說。“更重要的是，加熱 - 冷卻循環(huán)可以在大約半分鐘內(nèi)完成，這是報告的最快速度據(jù)我們所知。“

為了證明他們方法的成功，該團隊設(shè)計了一個帶有三個FRST執(zhí)行器的機器人抓手，可以抓住和提升任意形狀的物體，各種重量從不到10克到1.5千克，Ge說。他補充說，他們使用計算模型來模擬FRST執(zhí)行器的機械和熱電行為，以指導(dǎo)其設(shè)計并提供增強負載能力的見解。