研究人員開發(fā)高精密3D 打印微型執(zhí)行器，可移動小型軟機器人并鎖定為新形狀

2024年6月16日，南極熊獲悉，來自北卡羅來納州立大學的研究人員開發(fā)了一款新型微型軟液壓執(zhí)行器，可用于控制厚度不到一毫米的軟機器人的變形和運動。研究人員還證明，該技術可與形狀記憶材料配合使用，使用戶能夠反復將軟機器人鎖定為所需形狀，并根據(jù)需要恢復到原始形狀。

△微型執(zhí)行器驅動薄帶狀軟機器人。圖片來源：北卡羅來納州立大學 Jie Yin

相關研究以題為“具有形狀記憶效應的全 3D 打印微型軟液壓執(zhí)行器，用于變形和操作”的論文被發(fā)表在《先進材料》期刊上。該論文由北卡羅來納州立大學前博士生洪耀業(yè)、北卡羅來納州立大學博士后研究員趙耀和李彥斌以及北卡羅來納州立大學博士生齊方杰共同撰寫。該項工作得到了美國國家科學基金會 2126072 和 2329674 號資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202402517

該論文的通訊作者、北卡羅來納州立大學機械與航空航天工程副教授 Jie Yin 說道：“軟機器人技術在許多應用領域都大有可為，但設計驅動軟機器人小規(guī)模運動的執(zhí)行器卻極具挑戰(zhàn)性。我們的方法利用市售的多材料 3D 打印技術和形狀記憶聚合物來創(chuàng)建微尺度的軟執(zhí)行器，使我們能夠控制非常小的軟機器人，從而實現(xiàn)出色的控制和精細度。”

新技術依賴于制造由兩層組成的軟機器人。第一層是使用 3D 打印技術制造的柔性聚合物，并包含微流體通道圖案——本質上是貫穿材料的非常小的管子。第二層是柔性形狀記憶聚合物?？偠灾?，軟機器人只有 0.8 毫米厚。

△與 SME 集成用于形狀變形和形狀鎖定的全 3D 打印微型亞毫米厚軟液壓執(zhí)行器 (MSHA) 的示意圖

通過將流體泵入微流體通道，用戶可以產(chǎn)生液壓，迫使軟機器人移動并改變形狀。微流體通道的圖案控制著軟機器人的運動和形狀變化——無論是彎曲、扭曲還是其他。此外，注入的流體量和注入速度控制著軟機器人的移動速度和施加的力量。

如果用戶希望“凍結”軟機器人的形狀，他們可以施加適度的熱量（64C 或 147F），然后讓機器人短暫冷卻。這樣可以防止軟機器人恢復到其原始形狀，即使在微流體通道中的液體被抽出之后也是如此。如果用戶想讓軟機器人恢復其原始形狀，他們只需在抽出液體后再次加熱，機器人就會恢復到其原始配置。

該論文的共同主要作者、北卡羅來納州立大學前博士生 Yinding Chi 說道：“這里的一個關鍵因素是微調形狀記憶層相對于包含微流體通道的層的厚度。你需要形狀記憶層足夠薄，以便在施加致動器的壓力時彎曲，但又足夠厚，以使軟機器人即使在壓力消除后也能保持其形狀?！?/div>

為了演示該技術，研究人員制作了一個軟機器人“夾持器”，能夠拾取小物體。研究人員施加液壓，使夾持器夾緊物體。通過加熱，研究人員能夠將夾持器固定在“閉合”位置，即使在釋放液壓致動器的壓力后也是如此。然后可以移動夾持器（將其夾持的物體運送到新位置）。然后，研究人員再次施加熱量，使夾持器釋放其拾取的物體。（軟機器人移動視頻鏈接：https://youtu.be/5SIwsw9IyIc）

△3D 打印微型軟液壓執(zhí)行器中的動作演示

論文共同第一作者、北卡羅來納州立大學博士生 Haitao Qing 說道：“由于這些軟機器人非常薄，我們可以使用小型紅外光源快速輕松地將它們加熱至 64 攝氏度，而且它們冷卻得也很快，所以這一系列操作只需要大約兩分鐘。而且動作不一定非要用夾子夾住，我們還展示了一種受自然界藤蔓啟發(fā)的夾子。這些夾子可以快速纏繞物體并將其緊緊夾住，從而實現(xiàn)牢固抓握。這篇論文是對這項新技術的概念驗證，我們對這類微型軟執(zhí)行器在小型軟機器人、變形機器和生物醫(yī)學工程中的潛在應用感到非常興奮?！?/div>