義大利理工學院(IIT)的研究人員,利用3D列印技術,開發了一種新的機械手,該團隊宣稱,使用SLA
3D工藝製造的人工肌肉,更具備仿生能力。
△IIT研究人員的機械手,配有3D列印的GRACE執行器
這個栩栩如生的肢體,由一系列可收縮和拉長執行器組成,或者可以稱它為
"GRACES "。這些執行器由樹脂膜3D列印而成,可以像肌肉一樣拉伸和收縮。這些微小的執行器僅重8克,可以舉起自身重量的1000倍,當集成到一個機器人手時,它們具備人類手指一樣的功能,如彎曲、扭轉手掌和轉動手腕的能力。
△可以看它們的研究結果,題目為《使用可收縮和拉長的軟碟機動,3D列印仿生人造肌肉》https://www.science.org/doi/abs/10.1126/scirobotics.abn4155
基於3D列印的生物仿生技術
自然界充滿了對動物和植物仿生學研究的例子,這對材料科學家和工程師來說仍然是一種啟發。為了在人工結構和機器人中重現這些特性,研究人員經常求助於3D列印,並在這樣做的過程中,完成了一些令人印象深刻的生物模仿。
△墨魚骨骼布局的SEM和顯微CT圖像
在浙江大學,科學家們根據墨魚的啟發,利用3D列印技術,模仿海洋生物獨特的能量吸收能力。事實上,該團隊的早期模型具備超強的耐壓能力,以至於它們能夠承受高達其自身重量2萬倍的壓力。同樣,台灣科技大學的工程師們,已經用FDM
3D列印了海膽殼狀格子,而不需要任何支撐材料。
在其他地方,在軟體機器人的生物模仿嘗試中,研究人員已經部署了,能夠將能量和電信號轉換為運動的執行器,以創造具有逼真動作的機器人。而中國的科學家通過3D列印軟性機器人手指,向肢體生產邁進。
通過有效地結合這些方法,IIT團隊說,未來有可能3D列印出,足夠強大和靈活的軟執行器,以有效地 "與自然和社會環境相結合",應用範圍從生物多樣性保護,再到老年人日常護理。因此,該團隊認為,他們的機器人手原型,是朝著使這種設備更容易創造的方向邁出的第一步。
△從FEM模擬中,獲得的GRACE應變分布結果
開發具有GRACE功能的機械手
根據IIT研究人員的說法,人工執行器現已達到發展過程中一個重要的階段,它們能夠實現與生物肌肉相同的收縮性能。然而,在他們的論文中,該團隊補充說,以往的技術所面臨的問題,很難再現由人體內部複雜的肌肉排列,所帶來的 "運動的多樣性和優雅"。
為了解決這個問題,改團隊設計出了,由單一材料褶皺膜組成的GRACE人工肌肉,它們,從頭到尾都是利用數學模型來收縮和伸展。因此,執行器能夠按照預期執行,而無需集成應變限制元素。
△Form 3L(左)和 Form 3(右)3D印表機
通過Formlabs Form
3D列印設備,使得研究人員,能夠將褶皺集成到設備的膜上,它們具備摺疊和展開功能,同時,賦予了它們,能夠承受反覆變形所需的靈活性和強度。在實踐中,該團隊宣稱,這些3D列印手機經過測試,可以舉起越來越重的物品,無論是單獨還是分組。
△該團隊的光彈性測試裝置
事實證明,根據用於製造這些設備的材料的參數,它們能夠舉起比自身重幾個數量級的物體。在一個案例中,8克的GRACE原型模型,甚至能夠舉起8公斤的重量,這使得科學家們重新認識到,它們可以作為仿真肌肉和身體部位的一種潛在手段。
為了測試這一理論,研究人員選擇連接18個不同大小的執行器,來創建一個機器人手和手腕。通過對每個3D列印膜施加壓力,他們發現可以用類似人類的動作,和效率來操作這隻手。在成功測試了他們的方法後,該團隊說,它證明了在單一生產步驟中,3D列印功能性肌肉的可能性。
"GRACE可以通過低成本的3D列印方式來製造,甚至可以直接在功能性設備中製造出來,比如,只需一步就能完成3D列印的氣動假肢。」「這使得基於氣動人工肌肉的原型設計和製造更快、更直接。」