加州大学利用3D打印技术创造出“类似昆虫”的软机器人 外壳需要提供多种功能

加州大学圣地亚哥分校的研究人员使用3D打印技术制造了一种柔软灵活的行走“昆虫状”机器人。制造机器人的利用预算加成制造技术可以降低3D打印软机器人的入门成本，并为该技术在对人类不安全的印技地方(如灾难或战争地区)开辟新的应用。加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院机械工程教授尼克格拉维(Nick Glavey)说：“我们希望，术创这些灵活的造出骨架将引导一类受生物学启发的新型软机器人的诞生。“我们希望让世界各地的类似昆虫研究人员更容易制造软机器人。”0Pj

使3D打印软机器人更容易使用0Pj

据研究人员称，加州机器制造昆虫机器人的大学D打的软主要挑战之一是重建复杂的外骨骼结构力学。外壳需要提供多种功能，利用包括结构支撑、印技关节灵活性和身体保护，术创同时提供传感、造出抓握和附着的类似昆虫功能表面特征。圣地亚哥的研究团队观察到，昆虫四肢的机动性是由刚性、柔性和梯度刚度元素的排列决定的，而昆虫的外骨骼是刚性和柔性机械部分的混合结构。因此，未来的迭代需要一种混合的构建方法来更好地反映它们所基于的昆虫模型。0Pj

先前创造昆虫启发机器人的尝试需要使用多材料3D打印机和多步骤铸造工艺。例如，罗切斯特大学的科学家在2015年创造了一种受水上骑手启发的跳跃机器人昆虫。然而，据圣地亚哥的研究人员称，这种受生物启发的机器人看起来更像是一种刚性工业机器人，包括刚性连杆和高传动比的刚性电机。0Pj

最近，机器人专家开始使用多材料3D打印、激光切割、层压和压铸将身体和四肢的适应性纳入机器人设计。这些制造技术也有缺点，因为它们通常以获得昂贵且耗时的制造工具为代价，这些制造工具提供的材料选择有限。为了使他们能够以更具成本效益的方式打印柔性和弹性外骨骼，研究团队设计了一种新的混合方法，称为弹性骨骼打印。熔融沉积建模(FDM)3D打印机和标准长丝材料(如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)的使用使这种方法更便宜、更容易使用。此外，新技术不同于传统方法，而是通过直接在加热的热塑性薄膜上印刷3D刚性细丝，制造出软机器人。该方法为沉积材料提供了一个灵活而牢固的基层，并能精确控制机器人本体中关节和支柱的刚度和特性。0Pj

柔性骨架的制造技术受到昆虫外壳的启发增材制造“类昆虫”软机器人0Pj

在标准的FDM印刷中，塑料细丝(例如ABS或聚乳酸(PLA))通过加热喷嘴的孔挤出并沉积在平坦的印刷表面上。另一方面，柔性骨架工艺使用改进的Prusa i3 MK3S或LulzBot Taz 6 FDM 3D打印机将细丝直接沉积在加热的热塑性基层上。这导致沉积材料和不可延伸的柔性基底之间的高结合强度，从而提高抗疲劳性。0Pj

柔性骨架印花的粘合过程也不需要额外的粘合剂或固化剂，因为长丝在挤出过程中直接粘合到基层上。为了测试部件的强度和抗疲劳性，该团队制造了具有均匀矩形几何形状的柔性梁。每个梁弯曲到恒定的应力状态，并保持在该位置10秒钟，以模拟机器人腿弯曲并固定到位以支撑负载的情况。然后，研究小组通过拍摄空载梁的偏转角度图像来测量梁的蠕变角度，该偏转角度是在测试前从中性位置测量的。0Pj

通过添加聚碳酸酯(PC)层，圣地亚哥的研究人员发现，他们可以在300次载荷循环中使3D打印梁的蠕变变形减少70%。为了演示柔性骨骼制作方法制作的机器人的行走能力，团队搭建了一台肌腱驱动的四足行走机器人。机器人的底盘由全柔性骨骼制成的四肢设计组装而成，由四个微服务器驱动。两条腿的长度为70 mm，每条腿3D打印需要30分钟，有两个关节：一个弯曲，一个拉伸。0Pj

整个机器人生产完成后(大约需要三个小时)，将每个肢体插入机器人底盘(主体)，通过肌腱和绞盘与微型服务器连接。最终的产品拥有可互换的腿，这些腿是为不同的地形设计的，在测试过程中，完成的机器人可以达到接近每秒5厘米的速度。柔骨机器人的外部结构不仅可以保护其内部组件，还可以混合软硬组件，因此可以在复杂的三维布局中生产。根据Gravish的说法，创造机器人的创新生产技术可能允许为工厂环境生产新的多功能机器人。“最终目标是打造一条无需人工组装就能打印出整个柔性骨架机器人的流水线。一小群这样的小机器人可以独自完成一个大机器人的工作，甚至更多。”格拉维什说。0Pj

柔性骨架机器人的构建过程3D打印中的软机器人0Pj

近年来，软机器人添加制造的研究呈现出多种形式。例如，2020年1月，康奈尔大学的研究人员开发了一种带有3D打印的柔软机器人肌肉，可以“出汗”。利用水凝胶基复合树脂和立体光刻技术，制作了一种能保持水分和响应温度的柔性指状执行器。2019年8月，荷兰TU Delft工业大学的研究人员创造了一种多色3D打印传感器，帮助软体机器人提高自我意识和适应能力。通过创新一种灵活的嵌入式3D打印传感方法，研究人员增加了机器人和物体之间的互动。两名NASA研究人员宣布，他们已经在3D打印中使用了3D打印技术，从而在2019年5月生产了一种软机器人执行器。新组件负责为机器人的运动部件提供动画和控制功能，这代表着将软机器人技术带入太空的重要一步。0Pj