研究人員巧用“FDM擠壓不足”開發(fā)3D打印仿生機器人，且效果更優(yōu)

2025年2月18日，南極熊獲悉，特溫特大學(xué)(UT) 和南丹麥大學(xué)(SDU)的研究人員想出了一個巧妙的方法來加強混合機器人中軟材料和剛性材料之間的聯(lián)系，這是機器人技術(shù)領(lǐng)域的一個持續(xù)挑戰(zhàn)。

有趣的是，他們的方法將日常FDM打印過程中常遇到的“擠壓不足”問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢。通過故意讓打印機創(chuàng)建多孔結(jié)構(gòu)，他們找到了一種提高材料間粘合性的方法。此外，這種方法適用于標(biāo)準(zhǔn)熔融沉積成型 (FDM) 打印機，因此比需要昂貴的多材料打印機的現(xiàn)有解決方案更容易使用。

△仿生混合夾鉗模仿人類指甲，其特點是剛性指甲板粘合在多孔網(wǎng)上，復(fù)制了指甲和甲床之間的天然粘合。圖片來自 UT

相關(guān)研究以題為 “Bio-inspired 3D printing approachfor bonding soft and rigid materials through underextrusion”的論文發(fā)表在《自然》雜志上，作者包括南達(dá)科他大學(xué)的研究人員 Arman Goshtasbi、德克薩斯大學(xué)的 Luca Grignaffini 和 Ali Sadeghi。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-024-84525-7#author-information

模仿自然來增強機器人技術(shù)

機器人中的軟部件和硬部件各有優(yōu)勢，但如何讓它們正確粘合一直是一件棘手的事情。這些材料處理應(yīng)力的方式不同，這往往會導(dǎo)致粘合力較弱，而傳統(tǒng)的粘合方法（如粘合劑）在機械應(yīng)變下會成為失效點。

然而，大自然提供了一種解決方案。就像生物結(jié)締組織無縫連接肌肉和骨骼一樣，研究人員開發(fā)出了一種纖維狀多孔結(jié)構(gòu)，可以加強軟質(zhì)和硬質(zhì)材料之間的連接。

這種方法反映了肌腱、韌帶和其他自然界面如何分配壓力，從而防止突然的機械故障。通過嚴(yán)格的測試，他們微調(diào)了實現(xiàn)強度和靈活性最佳平衡所需的孔隙率，標(biāo)志著仿生機器人技術(shù)向前邁進(jìn)了一步。

數(shù)字說明了一切。在搭接剪切和剝離測試中，這種方法比傳統(tǒng)粘合劑的性能高出 200%。使用 Ecoflex 00-10 和 DragonSkin 10 硅橡膠進(jìn)行的實驗表明，與常用粘合劑相比，粘合力明顯更強，使軟機器人具有更好的耐用性。

對于氣動軟機器人而言，氣密密封至關(guān)重要，該方法也顯示出了良好的效果。在模擬壓力條件下，使用該技術(shù)形成的粘合力比使用粘合劑粘合的粘合力高出三倍，增強了其在充氣和混合機器人系統(tǒng)中的潛力。

通過提供一種簡單、低成本的方式來在不同材料之間建立牢固的結(jié)合，這種方法可以改變混合機器人的制造方式。應(yīng)用可以擴展到任何機械可靠性至關(guān)重要的環(huán)境，為軟機器人開辟新的可能性。

據(jù)研究人員稱，未來的工作可能會探索通過模仿自然界軟硬材料之間的逐漸過渡來進(jìn)一步完善這項技術(shù)的方法。使用 ABS 和 PETG 等替代 3D 打印材料進(jìn)行測試也可以揭示使粘合力更強的方法。

△搭接剪切和剝離試驗結(jié)果。圖片來自 UT

仿生機器人研究

過去，3D 打印已為多種獨特的仿生機器人的開發(fā)做出了貢獻(xiàn)。加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員做出了一項顯著貢獻(xiàn)，他們介紹了一種更經(jīng)濟的3D 打印軟體昆蟲機器人的方法。他們的柔性骨架打印方法可與標(biāo)準(zhǔn) FDM 打印機配合使用，將剛性細(xì)絲層疊在加熱的熱塑性基座上。

柔性骨骼制造技術(shù)靈感來自昆蟲的外殼。圖片來自 Soft Robotics

這種方法簡化了生產(chǎn)，無需昂貴的多材料 3D 打印，使軟機器人更容易實現(xiàn)。該技術(shù)從昆蟲外骨骼中汲取靈感，平衡了靈活性和結(jié)構(gòu)支撐。在測試中，打印的機器人表現(xiàn)出了更好的強度和耐用性，原型成功自行行走。

2022 年，薩里大學(xué)的一名學(xué)生開發(fā)了一款3D 打印機器魚，用于從水道中收集微塑料。這款名為 Gillbert 的機器人由埃莉諾·麥金托什于 2022 年發(fā)明，具有鰓狀結(jié)構(gòu)和細(xì)網(wǎng)，可捕獲小至兩毫米的塑料顆粒，同時允許水通過。

這款設(shè)計贏得了2022 年自然機器人大賽，并在實驗室環(huán)境和英國湖泊中成功進(jìn)行了測試。當(dāng)時，它是遠(yuǎn)程控制的，未來計劃包括提高其游泳速度和自主性。