加州大学使用3D打印创建“类似于昆虫”的软机器人

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员已经使用3D打印技术生产出了柔软而灵活的行走“类昆虫”机器人。

用于制造机器人的预算型增材制造技术可以降低3D打印软机器人的入门成本,并为该技术在对人类不安全的地方(如灾难或战争地区)打开新的应用。

“我们希望这些柔韧性骨架将引导创建一类新型的、受生物启发的软机器人,”圣地亚哥加州大学雅各布工程学院的机械工程教授尼克·格拉维什说。“我们希望使全世界的研究人员更容易构建软机器人。”



使3D打印软机器人更容易使用

根据研究人员的说法,制造昆虫机器人的主要挑战之一是重建复杂的外骨骼结构力学。外壳需要提供多种功能,包括结构支撑、关节灵活性和身体保护,同时提供传感、抓取和附着的功能表面特征。

圣地亚哥的研究小组观察到,昆虫四肢的活动能力是由刚性、柔性和梯度刚度元素的排列决定的,而昆虫的外骨骼是刚性和柔性机械部件的混合结构。因此,未来的迭代需要一种混合的构建方法,以便更好地反映它们所基于的昆虫模型。

以前创建昆虫灵感机器人的尝试需要使用多材质3D打印机和多步铸造过程。例如,罗切斯特大学(University of Rochester)的科学家在2015年创造了以水骑手为灵感的跳跃性机器人昆虫。不过,根据圣地亚哥研究人员的说法,这种受生物启发的机器人看上去更像是刚性的工业机器人,包括僵硬的链接和刚性高传动比的电动机。最近,机器人专家开始使用多材料3D打印,激光切割,层压和压铸法,将身体和四肢的适应性纳入机器人设计中。这些制造技术也有缺点,因为它们通常以获取昂贵且耗时的制造工具为代价,这些工具提供了有限的材料选择。

为了使他们能够以更节省成本的方式3D打印柔性和弹性外骨骼,研究团队设计了一种新颖的混合方法,称为弹性骨骼打印。使用熔融沉积建模(FDM)3D打印机和标准的长丝材料(例如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS))使该方法更便宜且更易于使用。此外,新技术不同于传统方法,而是通过将3D刚性细丝直接打印到加热的热塑性薄膜上,来制造软机器人。这种方法为沉积的材料提供了灵活而坚固的基础层,并能够精确控制机器人体内关节和支杆的刚度和特性。


柔性骨架的制造技术受到昆虫外壳的启发

增材制造“类昆虫”软机器人

在标准FDM 打印中,塑料丝(例如ABS或聚乳酸(PLA))通过加热喷嘴的孔口挤出,并沉积在平坦的打印表面上。另一方面,柔性骨架工艺使用改良的Prusa i3 MK3S或LulzBot Taz 6 FDM 3D打印机,将长丝直接沉积到加热的热塑性基础层上。这导致沉积材料与不可延伸的柔性基材之间的高粘结强度,从而提高了抗疲劳性。柔性骨架打印的粘合过程也不需要额外的粘合剂或固化剂,因为长丝在挤出过程中直接粘合到基础层上。

为了测试所生产组件的强度和抗疲劳性,该团队制造了具有均匀矩形几何形状的柔性梁。将每个梁弯曲到恒定应力状态,并保持该位置10秒钟,以模拟机器人腿弯曲并固定在适当位置以支撑载荷的情况。然后,研究团队通过拍摄未加载光束偏转角的图像来测量光束的蠕变角,该图像是在测试前从中立位置测量的。通过添加聚碳酸酯(PC)层,圣地亚哥的研究人员发现,他们能够在300个负载循环周期内将3D打印光束的蠕变变形降低70%。

为了演示使用挠性骨骼生产方法生产的机器人的行走能力,该团队构建了一个由腱驱动的四足步行机器人。该机器人的底盘由全柔性骨骼生产的四肢设计和组装,由四个微型伺服器驱动。两条腿的长度为70毫米,每条腿花费30分钟进行3D打印,并具有两个关节:一个弯曲和一个伸展。整个机器人生产完成(大约需要三个小时)后,将每个肢体插入到机器人底盘(主体)中,并通过一根腱和绞盘与一个微型伺服器连接。最终产品具有可互换的支腿,这些支腿针对不同的地形而设计,并且在测试过程中,完成的机器人可以达到每秒近5厘米的速度。

flexoskelton机器人的外部结构不仅可以保护其内部组件,而且可以混合使用软和刚性组件,从而可以以复杂的3D布置进行生产。根据Gravish的说法,用于创建机器人的创新生产技术可能允许生产用于工厂环境的新型多功能机器人。

“最终目标是创建一条无需手工组装即可打印整个柔性骨架机器人的装配线。一小群这样的小型机器人可以独自完成一个大型机器人的工作,甚至更多。” Gravish说。


柔性骨架机器人的构建过程

3D打印中的软机器人

近年来,对软机器人的增材制造的研究采取了多种形式。例如,在2020年1月,康奈尔大学的研究人员开发了一种3D打印的软机器人肌肉,能够“排汗”。使用基于水凝胶的复合树脂和立体平版印刷术(SLA),生产出可以保留水并响应温度的柔软的手指状致动器。

2019年8月,荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)的研究人员创建了多色3D打印传感器,以帮助软机器人提高自我意识和适应性。通过创新一种灵活的嵌入式3D打印传感方法,研究人员增加了机器人与物体之间的相互作用。

两位NASA研究人员宣布,他们已在3D打印中使用了3D打印技术,从而在2019年5月生产出了一个软机器人致动器。该新组件负责为机器人的运动部件提供动画和控制功能,代表了将软机器人技术带入太空的重要一步。

 

2020-06-14智邦网

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