軟體(ti) 機器人的出現，帶來了控製這些係統的底層射流有關(guan) 的新挑戰。在此，來自美國馬裏蘭(lan) 大學的Ryan D. Sochol等研究者，介紹了一種通過PolyJet三維(3D)打印在單個(ge) 打印運行中，由完全集成的射流電路組成的增材製造統一軟體(ti) 機器人的策略。相關(guan) 論文以題為(wei) “Fully 3D-printed soft robots with integrated fluidic circuitry”發表在Science Advances上。

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257

在過去的十年裏，軟體(ti) 機器人領域已經確立了自己的地位，因為(wei) 它特別適合使用傳(chuan) 統的、剛性的機器人很難或不可能實現的應用。依賴於(yu) 由射流手段(如液壓和/或氣動)驅動的柔順材料，給軟體(ti) 機器人帶來了一些固有利益，特別是在人機交互的安全性、低成本和在操作複雜和/或精密物體(ti) 的結構適應性方麵。然而，目前軟體(ti) 機器人應用的一個(ge) 關(guan) 鍵障礙是，要求增加獨立操作的軟體(ti) 執行器(或自由度)的數量，通常要求相等或更多的不同控製輸入。為(wei) 了減少或消除這種外部控製方案的需要，研究人員已經研究了一係列通過射流邏輯增強軟體(ti) 機器人自主性的方法。

與(yu) 人工將獨立的射流電路連接到軟體(ti) 機器人上的研究相反，人們(men) 對將這些功能直接嵌入軟體(ti) 機器人係統的能力越來越感興(xing) 趣。特別值得注意的是Wehner等人報道的一種混合策略，即，使用基於(yu) 無塵室的多層軟光刻協議來製造微流控振蕩器，然後利用各種製造技術，如計算機數控加工、多材料鑄造、嵌入式犧牲式直接墨水書(shu) 寫(xie) 、熱固化/疏散過程，激光切割，最終實現一個(ge) 可以周期性驅動的不受束縛的軟“章魚機器人”。然而，由於(yu) 依賴於(yu) 基於(yu) 軟光刻的射流電路，這種製造方法尚未在軟體(ti) 機器人領域得到廣泛采用。此外，雖然研究人員已經證明了射流閥的廣泛功能，但基於(yu) 這種製造方法，實現更複雜的功能，特別是基於(yu) 壓力增益操作的功能並不簡單。

為(wei) 了在更大的規模上繞過上述挑戰，Rothemund等人引入了軟雙穩態閥，作為(wei) 射流模擬電子Schmitt觸發器。遺憾的是，目前的改進方法，都沒有辦法有效解決(jue) 上述挑戰。因此，製造基於(yu) 射流電路的軟體(ti) 機器人的替代方法，仍然是關(guan) 鍵需求。

在此，研究者提出了一種新的策略，即通過多材料“PolyJet三維(3D)打印”，在單個(ge) 打印過程中增材製造統一的軟體(ti) 機器人係統和完全集成的射流電路(圖1)。最初，模塊化的組件，如射流電路元件、互連、訪問端口以及軟體(ti) 機器人作動器和結構部件(圖1A)，可以在計算機輔助設計(CAD)軟件中進行設計和組裝，生成具有完全集成的射流電路的軟體(ti) 機器人的三維模型(圖1B)。雖然研究人員已經在軟體(ti) 機器人和射流電路領域廣泛使用了增材製造技術，但研究者認為(wei) PolyJet 3D打印是唯一適合同時製造兩(liang) 類係統作為(wei) 統一實體(ti) 的技術。PolyJet打印是一種基於(yu) 噴墨的(材料噴射)過程，其中，多個(ge) 光反應性和犧牲支撐材料被平行分配(與(yu) 連續的紫外線劑量)，以逐行、一層一層的方式產(chan) 生3D物體(ti) 。

在這項工作中，研究者通過增材製造了完全集成的軟體(ti) 機器人係統，即，包括所有的軟執行器；車身特征(任意設計)；和射流電路元件，互連和端口-在一次打印運行(圖1C和D及相關(guan) 動畫)。該過程需要同時印刷三種不同的材料：(i)順應性光聚合物(圖1C，黑色)；(ii)剛性光塑材料(圖1C，白色)；(iii)犧牲的水溶性支撐材料(圖1C，黃色)。

圖1 PolyJet 3D打印統一軟體(ti) 機器人係統的設計和增材製造策略，該係統包括在單個(ge) 打印運行中完全集成的射流電路。

圖2 基於(yu) PolyJet 3D打印的射流電路元件的工作原理和結果，包括柔順(黑色)和剛性(白色)材料集成。

圖3 恒流型軟體(ti) 機器龜的工作原理及實驗結果。

圖4基於(yu) 正弦輸入的軟體(ti) 機器龜的工作原理及實驗結果。

圖5 集成射流電路的預編程、基於(yu) 非周期射流輸入的軟機械手的概念和結果。

綜上所述，研究者本文提出的基於(yu) polyjet的戰略提供了獨特的承諾，在提高軟體(ti) 機器人領域的可及性的同時，支持一定程度的再現性和設計多功能性，與(yu) 此同時，這是目前還沒有報道過的替代方法。

此外，感興(xing) 趣的研究人員可以隨時下載、修改和/或複製(例如，3D打印現場或通過商業(ye) 3D打印服務)這裏演示的所有功能，從(cong) 而為(wei) 具有廣泛學術背景的研究人員提供了一個(ge) 新的途徑，以設計、增材製造和推進由完全集成的射流電路組成的軟體(ti) 機器人係統。