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微型软机器人执行器的高分辨率3D打印流程

2020-01-14 15:48:11    来源:    我来说两句()
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 软机器人是一类由合规材料制成的机器人系统,能够安全地适应复杂的环境。他们最近看到了快速的增长,并采用了多种设计,涵盖从米到亚微米的多种长度刻度。

特别地,毫米级的小型软机器人具有实际意义,因为它们可以设计为由气动简单驱动的微型致动器的组合。它们也非常适合在狭窄区域中导航和操纵小物体。

但是,将软气动机器人缩小到毫米会导致更精细的功能,这些功能减少了一个数量级以上。当此类机器人采用传统工艺(如成型和软光刻)制造时,其设计复杂性要求很高的精致度。尽管诸如数字光处理(DLP)之类的新兴3D打印技术提供了较高的理论分辨率,但在不引起堵塞的情况下处理微尺度的空隙和通道仍然是挑战。实际上,很少有成功的3D打印微型软气动机器人示例。

最近,来自新加坡和中国的研究人员,即来自新加坡科技设计大学(SUTD),南方科技大学(SUSTech)和浙江大学(ZJU)的研究人员,提出了指导小型气动DLP 3D打印的通用工艺流程。适用于整体尺寸为2-15 mm,特征尺寸为150-350?m的软机器人的执行器(请参考图片)。他们的研究发表在先进材料技术杂志上。

“我们利用DLP 3D打印的高效率和分辨率来制造微型软机器人执行器,”研究项目首席研究员SUSTech的Qi(Kevin)副教授说。“为确保印刷产品中可靠的印刷保真度和机械性能,我们引入了一种新的范例,用于系统有效地调整材料配方和关键加工参数。”

在DLP 3D打印中,通常将光吸收剂添加到聚合物溶液中,以提高横向和纵向的打印分辨率。同时,过度增加剂量会导致材料的弹性迅速降低,这对于软机器人维持较大的变形至关重要。

“为实现合理的权衡,我们首先选择了在投射的紫外线波长处具有良好吸收率的光吸收剂,并根据机械性能测试确定了合适的材料配方。接下来,我们将固化深度和XY保真度表征为确定曝光时间和切片厚度的合适组合。” SUTD的合著者张元芳解释说。

“通过遵循这一流程,我们能够在自建的多材料3D打印系统上生产各种具有各种结构和变形模式的微型软气动机器人执行器,所有这些结构和变形模式都小于一枚新加坡元硬币。相同的方法应该无需修改硬件即可与商用立体光刻(SLA)或DLP 3D打印机兼容。” SUSTech的相应作者Qi Ge教授说。

为了举例说明潜在的应用,研究人员还设计了一种软屑清除器,该软屑清除器包括一个连续操纵器和一个3D打印的微型软气动夹具。它可以在狭窄的空间中导航,并在难以到达的位置收集小物体。

所提出的方法为具有复杂几何形状和复杂多材料设计的3D打印微型软机器人铺平了道路。将印刷的微型软气动执行器集成到机器人系统中,为潜在应用提供了机会,例如喷气发动机维护和微创手术。

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