軟體機器人的出現(xiàn),帶來了控制這些系統(tǒng)的底層射流有關的新挑戰(zhàn)。在此,來自美國馬里蘭大學的Ryan D. Sochol等研究者,介紹了一種通過PolyJet三維(3D)打印在單個打印運行中,由完全集成的射流電路組成的增材制造統(tǒng)一軟體機器人的策略。相關論文以題為“Fully 3D-printed soft robots with integrated fluidic circuitry”發(fā)表在Science Advances上。
論文鏈接:
https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257
在過去的十年里,軟體機器人領域已經(jīng)確立了自己的地位,因為它特別適合使用傳統(tǒng)的、剛性的機器人很難或不可能實現(xiàn)的應用。依賴于由射流手段(如液壓和/或氣動)驅(qū)動的柔順材料,給軟體機器人帶來了一些固有利益,特別是在人機交互的安全性、低成本和在操作復雜和/或精密物體的結構適應性方面。然而,目前軟體機器人應用的一個關鍵障礙是,要求增加獨立操作的軟體執(zhí)行器(或自由度)的數(shù)量,通常要求相等或更多的不同控制輸入。為了減少或消除這種外部控制方案的需要,研究人員已經(jīng)研究了一系列通過射流邏輯增強軟體機器人自主性的方法。
與人工將獨立的射流電路連接到軟體機器人上的研究相反,人們對將這些功能直接嵌入軟體機器人系統(tǒng)的能力越來越感興趣。特別值得注意的是Wehner等人報道的一種混合策略,即,使用基于無塵室的多層軟光刻協(xié)議來制造微流控振蕩器,然后利用各種制造技術,如計算機數(shù)控加工、多材料鑄造、嵌入式犧牲式直接墨水書寫、熱固化/疏散過程,激光切割,最終實現(xiàn)一個可以周期性驅(qū)動的不受束縛的軟“章魚機器人”。然而,由于依賴于基于軟光刻的射流電路,這種制造方法尚未在軟體機器人領域得到廣泛采用。此外,雖然研究人員已經(jīng)證明了射流閥的廣泛功能,但基于這種制造方法,實現(xiàn)更復雜的功能,特別是基于壓力增益操作的功能并不簡單。
為了在更大的規(guī)模上繞過上述挑戰(zhàn),Rothemund等人引入了軟雙穩(wěn)態(tài)閥,作為射流模擬電子Schmitt觸發(fā)器。遺憾的是,目前的改進方法,都沒有辦法有效解決上述挑戰(zhàn)。因此,制造基于射流電路的軟體機器人的替代方法,仍然是關鍵需求。
在此,研究者提出了一種新的策略,即通過多材料“PolyJet三維(3D)打印”,在單個打印過程中增材制造統(tǒng)一的軟體機器人系統(tǒng)和完全集成的射流電路(圖1)。最初,模塊化的組件,如射流電路元件、互連、訪問端口以及軟體機器人作動器和結構部件(圖1A),可以在計算機輔助設計(CAD)軟件中進行設計和組裝,生成具有完全集成的射流電路的軟體機器人的三維模型(圖1B)。雖然研究人員已經(jīng)在軟體機器人和射流電路領域廣泛使用了增材制造技術,但研究者認為PolyJet 3D打印是唯一適合同時制造兩類系統(tǒng)作為統(tǒng)一實體的技術。PolyJet打印是一種基于噴墨的(材料噴射)過程,其中,多個光反應性和犧牲支撐材料被平行分配(與連續(xù)的紫外線劑量),以逐行、一層一層的方式產(chǎn)生3D物體。
在這項工作中,研究者通過增材制造了完全集成的軟體機器人系統(tǒng),即,包括所有的軟執(zhí)行器;車身特征(任意設計);和射流電路元件,互連和端口-在一次打印運行(圖1C和D及相關動畫)。該過程需要同時印刷三種不同的材料:(i)順應性光聚合物(圖1C,黑色);(ii)剛性光塑材料(圖1C,白色);(iii)犧牲的水溶性支撐材料(圖1C,黃色)。
圖1 PolyJet 3D打印統(tǒng)一軟體機器人系統(tǒng)的設計和增材制造策略,該系統(tǒng)包括在單個打印運行中完全集成的射流電路。
圖2 基于PolyJet 3D打印的射流電路元件的工作原理和結果,包括柔順(黑色)和剛性(白色)材料集成。
圖3 恒流型軟體機器龜?shù)墓ぷ髟砑皩嶒灲Y果。
圖4基于正弦輸入的軟體機器龜?shù)墓ぷ髟砑皩嶒灲Y果。
圖5 集成射流電路的預編程、基于非周期射流輸入的軟機械手的概念和結果。
綜上所述,研究者本文提出的基于polyjet的戰(zhàn)略提供了獨特的承諾,在提高軟體機器人領域的可及性的同時,支持一定程度的再現(xiàn)性和設計多功能性,與此同時,這是目前還沒有報道過的替代方法。
此外,感興趣的研究人員可以隨時下載、修改和/或復制(例如,3D打印現(xiàn)場或通過商業(yè)3D打印服務)這里演示的所有功能,從而為具有廣泛學術背景的研究人員提供了一個新的途徑,以設計、增材制造和推進由完全集成的射流電路組成的軟體機器人系統(tǒng)。
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