多材料3D打印用于開發快速響應剛度可調軟驅動器

具有剛性部件的傳統機器人系統通常對人類操作員構成威脅。相比之下，最近蓬勃發展的軟致動器和機器人提供了對周圍環境的出色適應性以及與人類安全，共存的相互作用。然而，它們在承重任務方面的能力受到硅橡膠等組成材料固有的低剛度性質的影響。

為了尋求能夠提高軟機器人系統承載能力而不犧牲機器人 - 物體相互作用時的柔順性的剛度可調材料，熱激活形狀記憶聚合物(SMP)作為一種有前途的候選者脫穎而出。SMP不僅能夠將剛度可逆地改變兩到三個數量級，而且還兼容3D打印。然而，到目前為止，已經報道了基于SMP的軟致動器通常受到諸如響應慢，變形小以及具有微觀特征的自動化制造中的困難的限制。

來自新加坡科技與設計大學(SUTD)和上海交通大學(SJTU)的研究人員最近提出了一種使用有限元模擬和混合多材料3D打印來設計和制造快速響應，剛度可調(FRST)軟件的范例。能夠在32秒內完成軟化 - 硬化循環的執行器。

“我們將商業噴墨多材料3D打印技術與直接墨水書寫方法相結合，制造出我們的全印刷FRST執行器，”SUTD科學與數學集群助理教授Qi(Kevin)Ge表示，他是該領域的共同領導者之一。這個項目。“剛度可調性由嵌入式SMP層提供，快速響應由嵌入式加熱和冷卻元件實現。”

實際上，將SMP層集成到執行器主體中可將其剛度提高多達120倍，而不會犧牲靈活性和適應性。印刷有銀納米粒子墨水的可變形導電電路通過局部焦耳加熱激活SMP的橡膠狀態。在用加壓空氣使致動器變形時，SMP被冷卻，冷卻劑通過流體通道驅動以鎖定幾何形狀。

“即使在釋放壓縮空氣后，處于剛性狀態的變形執行器也可以執行承載任務。更重要的是，加熱 - 冷卻循環可以在大約半分鐘內完成，據我們所知，這是報告的最快速率， “葛教授說。

“我們還建立了計算模型來模擬我們FRST執行器的機械和熱電行為，”SUTD的博士后研究員張元芳說道，他是該論文的共同第一作者。“一旦通過實驗驗證，這些模型用于指導FRST執行器的設計，并提供對提高負載能力的見解。”

總的來說，焦耳加熱回路和流體微通道層的設計大大減少了加熱 - 冷卻循環的時間到約30秒，這顯著提高了熱響應剛度可調軟致動器的實用性，使其適合于進一步應用。上海交通大學這個項目的聯合負責人顧國英教授說：“為了展示我們原型的高負載能力和形狀適應性，我們設計了一個帶有三個FRST執行器的機器人手柄，可以任意抓取和提升物體。形狀和各種重量從不到10克到1.5公斤。“