研究人員開發了用于微型軟機器人執行器的高分辨率3D打印的工藝流程

軟機器人是一類由合規材料制成的機器人系統，能夠安全地適應復雜的環境。他們最近看到了快速的增長，并采用了多種設計，涵蓋從米到亞微米的多種長度刻度。

特別地，毫米級的小型軟機器人具有實際意義，因為它們可以設計為由氣動簡單驅動的微型執行器的組合。它們也非常適合在狹窄區域內導航和操縱小物體。

但是，將軟氣動機器人縮小到毫米會導致更精細的功能，這些功能減少了一個數量級以上。當此類機器人采用傳統工藝(如成型和軟光刻)制造時，其設計復雜性要求很高的精致度。盡管新興的3-D打印技術(如數字光處理(DLP))提供了較高的理論分辨率，但如何處理微尺度的空隙和通道而又不會造成堵塞仍然是一項挑戰。確實，很少有成功的3D打印微型軟氣動機器人示例。

最近，來自新加坡和中國的研究人員，即來自新加坡科技設計大學(SUTD)，南方科技大學(SUSTech)和浙江大學(ZJU)的研究人員，提出了指導DLP 3-D打印的通用工藝流程。適用于軟機器人的微型氣動執行器，總尺寸為2-15 mm，特征尺寸為150-350μm(請參見圖片)。他們的研究發表在先進材料技術雜志上。

“我們利用DLP 3-D打印的高效率和分辨率來制造微型軟機器人執行器，”研究項目首席研究員SUSTech的Qi(Kevin)副教授說。“為確保印刷產品中可靠的印刷保真度和機械性能，我們引入了一種新的范例，用于系統有效地調整材料配方和關鍵加工參數。”

在DLP 3-D打印中，通常將光吸收劑添加到聚合物溶液中，以提高橫向和垂直方向的打印分辨率。同時，過度增加劑量會導致材料的彈性迅速降低，這對于軟機器人維持較大的變形至關重要。

“為實現合理的權衡，我們首先選擇了在投射的紫外線波長處具有良好吸收率的光吸收劑，并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保真度表征為確定合適的曝光時間和切片厚度的組合。” SUTD的第一作者張元芳解釋說。

“通過遵循這一流程，我們能夠在自建的多材料3D打印系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，所有這些結構和變形模式都小于一枚新加坡元硬幣。該方法應與商業立體光刻(SLA)或DLP 3-D打印機兼容，因為不需要任何硬件修改。” SUSTech的相應作者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軟碎屑清除器，該碎屑清除器包括一個連續操縱器和一個3-D打印的微型軟氣動夾具。它可以在狹窄的空間中導航，并在難以到達的位置收集小物體。

所提出的方法為具有復雜幾何形狀和復雜的多材料設計的3D打印微型軟機器人鋪平了道路。將印刷的微型軟氣動執行器集成到機器人系統中，為諸如噴氣發動機維護和微創外科手術等潛在應用提供了機會。