多材料3D打印用于开发快速响应刚度可调软驱动器

具有刚性部件的传统机器人系统通常对人类操作员构成威胁。相比之下，最近蓬勃发展的软致动器和机器人提供了对周围环境的出色适应性以及与人类安全，共存的相互作用。然而，它们在承重任务方面的能力受到硅橡胶等组成材料固有的低刚度性质的影响。

为了寻求能够提高软机器人系统承载能力而不牺牲机器人 - 物体相互作用时的柔顺性的刚度可调材料，热激活形状记忆聚合物(SMP)作为一种有前途的候选者脱颖而出。SMP不仅能够将刚度可逆地改变两到三个数量级，而且还兼容3D打印。然而，到目前为止，已经报道了基于SMP的软致动器通常受到诸如响应慢，变形小以及具有微观特征的自动化制造中的困难的限制。

来自新加坡科技与设计大学(SUTD)和上海交通大学(SJTU)的研究人员最近提出了一种使用有限元模拟和混合多材料3D打印来设计和制造快速响应，刚度可调(FRST)软件的范例。能够在32秒内完成软化 - 硬化循环的执行器。

“我们将商业喷墨多材料3D打印技术与直接墨水书写方法相结合，制造出我们的全印刷FRST执行器，”SUTD科学与数学集群助理教授Qi(Kevin)Ge表示，他是该领域的共同领导者之一。这个项目。“刚度可调性由嵌入式SMP层提供，快速响应由嵌入式加热和冷却元件实现。”

实际上，将SMP层集成到执行器主体中可将其刚度提高多达120倍，而不会牺牲灵活性和适应性。印刷有银纳米粒子墨水的可变形导电电路通过局部焦耳加热激活SMP的橡胶状态。在用加压空气使致动器变形时，SMP被冷却，冷却剂通过流体通道驱动以锁定几何形状。

“即使在释放压缩空气后，处于刚性状态的变形执行器也可以执行承载任务。更重要的是，加热 - 冷却循环可以在大约半分钟内完成，据我们所知，这是报告的最快速率， “葛教授说。

“我们还建立了计算模型来模拟我们FRST执行器的机械和热电行为，”SUTD的博士后研究员张元芳说道，他是该论文的共同第一作者。“一旦通过实验验证，这些模型用于指导FRST执行器的设计，并提供对提高负载能力的见解。”

总的来说，焦耳加热回路和流体微通道层的设计大大减少了加热 - 冷却循环的时间到约30秒，这显着提高了热响应刚度可调软致动器的实用性，使其适合于进一步应用。上海交通大学这个项目的联合负责人顾国英教授说：“为了展示我们原型的高负载能力和形状适应性，我们设计了一个带有三个FRST执行器的机器人手柄，可以任意抓取和提升物体。形状和各种重量从不到10克到1.5公斤。“