最近，研究人員開發了用於微型軟機器人執行器的高分辨率3D打印的工藝流程。軟機器人是一類由符合標準的材料製成的機器人係統，能夠安全地適應複雜的環境。他們最近看到了快速增長，並且有各種各樣的設計，涵蓋從米到亞米的多種長度尺度。

特別是，毫米級的小型軟機器人更具有實際意義，因為它們可以設計為僅由氣動壓力驅動的微型致動器的組合，它們也非常適合在狹窄區域中導航和操縱小物體。

然而，將軟氣動機器人縮小到毫米會導致更精細的特征減少一個數量級以上。這種機器人的設計複雜性在用傳統工藝（例如模塑和軟光刻）製造時需要非常精細。雖然數字光處理（DLP）等新興的3D打印技術具有很高的理論分辨率，但處理微尺度空隙和通道而不會造成堵塞仍然具有挑戰性。因此實際上，3D打印微型軟氣動機器人的成功例子很少見。


加州大學聖地亞哥分校的機器人研究人員首次使用商用3D打印機將複雜的傳感器嵌入機器人肢體和夾具中。但他們發現，在機器人完全正常運行之前，仍然需要改進商業上可用於3D打印的材料。

專門研究3D打印的研究人員長期以來一直試圖在一台打印機上製造一個完整的機器人，這台打印機能夠在完成後將自己從打印機中移開。這樣可以更輕鬆地更快地打印更多機器人。它還可以使沒有人工監督的3D打印機器人成為可能，例如在月球或火星上。

實現這一目標的主要障礙之一是為軟機器人開發有效的傳感器。這是因為柔軟，靈活的機器人通常具有複雜的表麵和運動，難以裝備和覆蓋傳統製造技術製造的傳感器。這些類型的機器人比剛性表兄弟更靈活，可以安全地與人類並肩工作。

加州大學聖地亞哥分校的研究人員的見解是雙重的。他們轉向商用打印機（Stratasys Objet350 Connex3 - 許多機器人實驗室的主力）。此外，他們意識到3-D打印機使用的材料之一是由碳顆粒製成，當連接到電源時可以為傳感器供電。因此，機器人專家使用黑色樹脂製造嵌入由透明聚合物製成的機器人部件中的複雜傳感器。他們設計並製造了幾個原型，包括一個夾子。


這款夾具采用商用多材料3D打印機製造，可將致動器和傳感器一起打印。
圖片來源：David Baillot /加州大學聖地亞哥分校

當拉伸時，傳感器在與人體皮膚大致相同的應變下失效。但是3D打印機使用的聚合物並非設計用於導電，因此它們的性能不是最佳的。3D打印機器人在功能實現之前還需要進行大量的後處理，包括仔細清洗以清除雜質和幹燥。

然而，研究人員仍然樂觀地認為，在未來，材料將得到改善，並使配備嵌入式傳感器的3D打印機器人更容易製造。

“傳感器的嵌入式打印是一個強大的過程，可以實現和增強傳感器與軟機器人的無縫集成，但目前還沒有一個合適的，商用的，易於使用的平台，允許用戶同時打印軟驅動器和傳感器，”研究人員寫道

最近，新加坡和中國的研究人員，即新加坡科技設計大學（SUTD），南方科技大學（SUSTech）和浙江大學（ZJU），提出了一個指導DLP 3-D打印的通用工藝流程。用於軟機器人的微型氣動執行器，總體尺寸為2-15 mm，特征尺寸為150-350μm。他們的研究成果發表在Advanced Materials Technologies上。



“我們利用DLP 3-D打印的高效率和分辨率來製造微型軟機器人執行器，”研究項目首席研究員SUSTech副教授齊（Kevin）Ge說。“為了確保印刷產品的可靠印刷保真度和機械性能，我們引入了一種新的範例，用於係統和有效地定製材料配方和關鍵加工參數。”

在DLP 3-D印刷中，通常將光吸收劑添加到聚合物溶液中以增強橫向和垂直方向上的印刷分辨率。同時，過度增加劑量會導致材料彈性迅速降低，這對軟機器人維持大變形至關重要。

“為了實現合理的權衡，我們首先選擇了一種在投射紫外光波長下具有良好吸光度的光吸收劑，並根據機械性能測試確定了合適的材料配方。接下來，我們將固化深度和XY保真度表征為確定曝光時間和切片層厚度的合適組合，“來自SUTD的共同第一作者張元芳解釋說。

“通過遵循這一工藝流程，我們能夠在自建的多材料3D打印係統上生產各種具有各種結構和變形模式的微型軟氣動機器人執行器，均小於一枚新加坡幣硬幣。該方法應該與商業立體光刻（SLA）或DLP 3-D打印機兼容，因為不需要進行硬件修改，“相應的作者，SUSTech的Qi Ge教授說。

為了舉例說明潛在的應用，研究人員還設計了一種柔軟的碎屑清除器，包括一個連續操縱器和一個3D打印的微型軟氣動夾具。它可以在狹窄的空間中導航，並在難以到達的位置收集小物體。

所提出的方法為具有複雜幾何形狀和複雜多材料設計的3D 打印微型軟機器人鋪平了道路。將印刷微型軟氣動執行器集成到機器人係統中為潛在應用提供了機會，例如噴氣發動機維護和微創手術。