AFM: 基于混合多材料3D打印的快速响应变刚度软体驱动器

【引言】

相比于传统的刚性机器人，软体驱动器在作业时具备更佳的安全性。然而，常用于制备软体驱动器的材料（如硅胶）的模量往往较低，从而制约了其在高载荷作业方面的应用。一种解决思路是在驱动器结构中加入温敏变刚度材料，在低模量状态下进行驱动，而在高模量状态下负载。但是这种设计相应的缺陷是较慢的响应速度和较复杂的制备工艺。

【成果简介】

为了解决这一挑战，新加坡滚球体育 设计大学(Singapore University of Technology and Design - SUTD)葛锜助理教授（共同通讯作者）、章圆方博士（共同第一作者）和上海交通大学谷国迎教授（共同通讯作者）、博士研究生张宁斌（共同第一作者）在Advanced Functional Materials上发表了一篇题为“Fast-Response, Stiffness-Tunable Soft Actuator by Hybrid Multimaterial 3D Printing”的文章。文章介绍了一种快速响应变刚度(FRST)软体驱动器的设计和制造方法。该3D打印的气动驱动器的变刚度特性来自于内嵌的形状记忆聚合物片。通过在变刚度层中间面用墨水直写技术打印上纳米银线电路作为电阻加热元件，并利用其产生的焦耳热量可以使变刚度层的温度迅速升到玻璃转换温度以上，从而适合气动驱动。驱动器完成变形后，可以通过向贴合在变刚度层表面的微流道层注入冷却剂而达到快速冷却的效果。一个加热-冷却的变刚度周期仅为半分钟。对比纯软体驱动器，加入变刚度层使得驱动器的刚度提高了120倍。一个装配了三个FRST软体驱动器的气动抓手可实现对不规则形状和不同重量梯度物体的自适应抓取，甚至可以提起1.5公斤重的哑铃。对于不同的载荷需求，可以通过有限元的热力耦合、热电耦合仿真来预估驱动器的负载能力和响应速度，从而指导驱动器的设计。

【图文导读】

图1：基于混合多材料3D打印的快速响应变刚度软体驱动器。

a）集成了变刚度层、加热电路和冷却微流道层的FRST软体驱动器。

b）FRST软体驱动器在低温和高温下的刚度对比。

c）多材料3D打印的驱动器部件。

d）墨水直写技术打印的纳米银线电路。

e）可以弯曲的形状记忆聚合物变刚度片及加热电路。

f）驱动器部件的组装。

g）FRST驱动器成品。

图2：形状记忆聚合物材料的变刚度特性。

a）形状记忆聚合物材料的动态热机械分析（Dynamic Mechanical Analysis - DMA）表征结果和热粘弹性本构模型拟合结果。

b）形状记忆聚合物材料在低温和高温时的应力-应变曲线对比。

c）通过焦耳热量激发形状记忆聚合物材料刚度变化的展示实验。

图3：FRST软体驱动器负载能力测试。

a-c) 一个“软化-弯曲-硬化-负载-复原”工作周期的示意图、实验图和有限元仿真结果图。

d) 驱动器负载能力测试平台。

e-g) 无变刚度层、橡胶态变刚度层和玻璃态变刚度层对驱动器负载能力的影响。

h-i) 三种情况下驱动器的刚度和最大作用力的对比。

j-k) FRST软体驱动器与文献中其他变刚度驱动器的刚度和弯曲能力对比。

l) 通过有限元仿真预估的不同变刚度层模量和厚度对驱动器刚度的影响。

图4：FRST软体驱动器加热和冷却效率测试。

a-b) 墨水直写打印时气压和移动速度对纳米银线宽度和电阻的影响。

c-d) 加热电路通不同电流时变刚度层温度随时间和输入能量变化的对比。

e-f) 不同温度的冷水和常温冷却效率的对比。

g-h) FRST软体驱动器与文献中其他变刚度驱动器的加热、冷却效率对比。

i-l) 通过有限元仿真预估的不同变刚度层厚度对驱动器加热、冷却效率的影响。

图5：配备FRST驱动器的气动抓手具有高负载能力和良好的自适应性。

a) 抓起1.5公斤重的哑铃。

b)抓起不规则形状和不同重量梯度物体。

【小结】

这种基于混合多材料3D打印设计和制造快速响应变刚度软体驱动器的方法使得驱动器同时具备软体驱动器的安全性和传统驱动器的高负载能力。通过在驱动器中集成电阻加热电路和微流道冷却层可让一个变刚度周期缩短到半分钟。总之，这种紧凑的设计和简易 的制造工艺有助于提升变刚度软体驱动器的实用性。

该研究工作得到了Singapore National Research Foundation (NRF)、国家优秀青年基金项目、国家自然科学基金委共融机器人重大研究计划重点项目和上海市科委“滚球体育 创新行动计划”基础研究项目的资助。

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

本文由新加坡滚球体育 设计大学葛锜助理教授团队供稿，材料人编辑部编辑。

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