AFM: 基于混合多材料3D打印的快速響應變剛度軟體驅動器

【引言】

相比于傳統的剛性機器人，軟體驅動器在作業時具備更佳的安全性。然而，常用于制備軟體驅動器的材料（如硅膠）的模量往往較低，從而制約了其在高載荷作業方面的應用。一種解決思路是在驅動器結構中加入溫敏變剛度材料，在低模量狀態下進行驅動，而在高模量狀態下負載。但是這種設計相應的缺陷是較慢的響應速度和較復雜的制備工藝。

【成果簡介】

為了解決這一挑戰，新加坡科技設計大學(Singapore University of Technology and Design - SUTD)葛锜助理教授（共同通訊作者）、章圓方博士（共同第一作者）和上海交通大學谷國迎教授（共同通訊作者）、博士研究生張寧斌（共同第一作者）在Advanced Functional Materials上發表了一篇題為“Fast-Response, Stiffness-Tunable Soft Actuator by Hybrid Multimaterial 3D Printing”的文章。文章介紹了一種快速響應變剛度(FRST)軟體驅動器的設計和制造方法。該3D打印的氣動驅動器的變剛度特性來自于內嵌的形狀記憶聚合物片。通過在變剛度層中間面用墨水直寫技術打印上納米銀線電路作為電阻加熱元件，并利用其產生的焦耳熱量可以使變剛度層的溫度迅速升到玻璃轉換溫度以上，從而適合氣動驅動。驅動器完成變形后，可以通過向貼合在變剛度層表面的微流道層注入冷卻劑而達到快速冷卻的效果。一個加熱-冷卻的變剛度周期僅為半分鐘。對比純軟體驅動器，加入變剛度層使得驅動器的剛度提高了120倍。一個裝配了三個FRST軟體驅動器的氣動抓手可實現對不規則形狀和不同重量梯度物體的自適應抓取，甚至可以提起1.5公斤重的啞鈴。對于不同的載荷需求，可以通過有限元的熱力耦合、熱電耦合仿真來預估驅動器的負載能力和響應速度，從而指導驅動器的設計。

【圖文導讀】

圖1：?基于混合多材料3D打印的快速響應變剛度軟體驅動器。

a）集成了變剛度層、加熱電路和冷卻微流道層的FRST軟體驅動器。

b）FRST軟體驅動器在低溫和高溫下的剛度對比。

c）多材料3D打印的驅動器部件。

d）墨水直寫技術打印的納米銀線電路。

e）可以彎曲的形狀記憶聚合物變剛度片及加熱電路。

f）驅動器部件的組裝。

g）FRST驅動器成品。

圖2：?形狀記憶聚合物材料的變剛度特性。

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a）形狀記憶聚合物材料的動態熱機械分析（Dynamic Mechanical Analysis - DMA）表征結果和熱粘彈性本構模型擬合結果。

b）形狀記憶聚合物材料在低溫和高溫時的應力-應變曲線對比。

c）通過焦耳熱量激發形狀記憶聚合物材料剛度變化的展示實驗。

圖3：?FRST軟體驅動器負載能力測試。

a-c) 一個“軟化-彎曲-硬化-負載-復原”工作周期的示意圖、實驗圖和有限元仿真結果圖。

d) 驅動器負載能力測試平臺。

e-g) 無變剛度層、橡膠態變剛度層和玻璃態變剛度層對驅動器負載能力的影響。

h-i) 三種情況下驅動器的剛度和最大作用力的對比。

j-k) FRST軟體驅動器與文獻中其他變剛度驅動器的剛度和彎曲能力對比。

l) 通過有限元仿真預估的不同變剛度層模量和厚度對驅動器剛度的影響。

圖4：?FRST軟體驅動器加熱和冷卻效率測試。

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a-b) 墨水直寫打印時氣壓和移動速度對納米銀線寬度和電阻的影響。

c-d) 加熱電路通不同電流時變剛度層溫度隨時間和輸入能量變化的對比。

e-f) 不同溫度的冷水和常溫冷卻效率的對比。

g-h) FRST軟體驅動器與文獻中其他變剛度驅動器的加熱、冷卻效率對比。

i-l) 通過有限元仿真預估的不同變剛度層厚度對驅動器加熱、冷卻效率的影響。?

圖5：配備FRST驅動器的氣動抓手具有高負載能力和良好的自適應性。

?a) 抓起1.5公斤重的啞鈴。

b)抓起不規則形狀和不同重量梯度物體。

【小結】

這種基于混合多材料3D打印設計和制造快速響應變剛度軟體驅動器的方法使得驅動器同時具備軟體驅動器的安全性和傳統驅動器的高負載能力。通過在驅動器中集成電阻加熱電路和微流道冷卻層可讓一個變剛度周期縮短到半分鐘。總之，這種緊湊的設計和簡易 的制造工藝有助于提升變剛度軟體驅動器的實用性。

該研究工作得到了Singapore National Research Foundation (NRF)、國家優秀青年基金項目、國家自然科學基金委共融機器人重大研究計劃重點項目和上海市科委“科技創新行動計劃”基礎研究項目的資助。

全文鏈接：Fast-Response, Stiffness-Tunable Soft Actuator by Hybrid Multimaterial 3D Printing?(Adv. Funct. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adfm.201806698)

本文由新加坡科技設計大學葛锜助理教授團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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