用于软机器人的3D打印材料最新进展

江苏激光联盟导读:

软机器人技术是一个不断发展的研究领域,其重点是用高顺应性材料制造无马达机器人。软机器人技术在各种领域中都具有很高的潜力,例如软夹具、执行器和生物医学设备。软机器人的3D打印提出了一种新颖而有前途的方法,可以直接从数字设计中形成具有复杂结构的对象。在此,来自以色列耶路撒冷希伯来大学的研究人员总结了用于软机器人3D打印的材料领域的最新进展。

受自然和生物体启发的软机器人是由柔性、柔软的材料制成的机器人,与坚固型机器人不同,它们是没有马达的。软机器人技术主要基于材料科学,可以通过多种机制执行,例如气动、静电、热激活和磁驱动。由于它们的柔韧性,这些软机器人可以执行精确和连续的运动,例如抓住易碎的物体或在不同环境下在各种基板上向前移动。最佳的软机器人设备应由三部分组成:i)执行器,无电动机的组件,是设备最重要的部分,负责执行运动;ii)传感器,它可以提供信息,例如致动器的位置和与表面接触时遇到的压力;iii)使用传感器生成的信息来精确调节和增强动态性能的控制系统。

近年来,已经报道了通过3D打印技术制造软机器人的情况,在软机器人领域,增材制造的用途多种多样,包括各种印刷方法和材料的利用。在早期的研究中,最方便的使用是基于仿品成型,其中3D打印用于制造刚性模具,然后在这些模具中浇铸柔性弹性体。例如,使用FDM,通过由ABS塑料组成的3D打印模具制造软气动执行器,然后进行两步铸造程序。首先,将预聚物浇铸到模具上,而不是将其完全覆盖,然后在卸下模具时获得明通道结构。第二,将明渠结构粘合到平坦的膜上,然后将整个设备后固化。3D打印软机器人技术发展的下一步是分别打印由柔性或智能材料组成的部件,并将它们机械组装在一起以形成软机器人。

如今,增材制造已成为软机器人领域中完全集成的制造过程。尽管如此,如图1所示,在全印刷的软机器人的制造中仍然存在一些挑战。这些挑战可以分为两大类:i)搜索和开发软机器人打印所需的高性能材料 ii)开发新的打印功能,从而一步一步地制造软机器人。

图1. 软机器人3D打印的未来挑战

在过去的几年中,我们看到了许多3D打印技术的开发工作,这些工作主要集中在打印技术上,包括新型打印机的发明和对现有打印机的改进。然而,适用于3D打印的商业材料的种类仍然有限,并且相对昂贵。就机械性能而言,大多数都只有基本的材料特性,例如柔韧性、可拉伸性、韧性和热稳定性。因此,真正需要开发性能和功能得到改善的高性能材料。对于软机器人的制造,非常需要开发具有适当的可拉伸性和柔韧性的新材料,以实现细腻且可重复的运动,具有可以执行可逆驱动力的形状记忆能力,以及可以克服物体内部断裂。

高性能材料

1. 柔性和可拉伸材料

构成软机器人的材料必须是柔性的和可拉伸的,以使其能够在不断裂、吱吱作响或破裂的情况下进行精细和显著的运动。使用DLP打印机可以进行高分辨率打印,从而形成几何复杂的结构以及由三个气动“臂”组成的抓爪(如下图所示)。

图2. 夹爪和由柔性和可拉伸材料组成的传感器:a)PU基聚合物。b)基于PDMS的聚合物。c)基于水凝胶的抓手。d)基于水凝胶的应力传感器。右下角的图像演示了自我修复的传感器。

2. 水凝胶

另一类柔软和可拉伸的材料是水凝胶,它是能够吸收大量水的亲水聚合物,并且是用于柔性和可拉伸聚合物的3D印刷的新兴材料。水凝胶适用于制造软机器人设备,前提是整体机械性能能够在不破坏结构的情况下驱动。水凝胶的独特之处在于其与水的相容性,以及对湿度和各种水环境的响应能力。水凝胶具有高粘性,可通过几种技术印刷,主要是DIW印刷,这使得它们适用于3D打印软机器人。水凝胶也可以用SLA印刷,其使用可光固化水凝胶单体具有更好的分辨率。虽然后一种方法不太常见,尽管由于缺乏高效的水溶性光引发剂,但目前的研究一家展示了一些由SLA印刷的软机器人设备。迄今为止,制造水凝胶基软机器人最广泛使用的材料是聚丙烯酰胺,聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm),透明质酸、壳聚糖和藻酸盐。

由于水凝胶的生物相容性,它被广泛应用于生物医学领域,如植入和药物输送。(3D打印水凝胶混合材料新方法!可实现具有药物释放功能的心血管支架) 研究人员预计基于水凝胶的软机器人装置将在该领域找到更多的应用,主要是在手术过程中制造用于软组织的外科抓紧器,例如腹腔镜胰腺手术。

打印功能

接下来我们设想,软机器人领域的主要未来目标是通过简单的一步过程进行设备制造,而不需要后处理以及组件组装和集成。这包括一次制造整个机器人,包括电源,执行器,传感器等。这个目标是非常具有挑战性的,我们希望可以通过3D打印来实现。但是,当前在多材料打印和打印嵌入式功能组件方面的3D打印过程仍然受到限制,并且需要在硬件和材料上进行进一步的开发。

1. 多材料印刷

将各种材料组合在一个物体中的能力对于制造软机器人非常重要。这种方法能够获得高度复杂的物体,例如具有柔软和刚性区域的机器人或者具有由功能材料组成的区域和仅提供设备骨架的区域的机器人。基于挤压的方法,即FDM和DIW,是通过添加一个喷嘴或一组喷嘴来挤压其他材料来结合多材料印刷的最简单的方法。有多种带有两个或更多喷嘴的商用FDM打印机,可以同时打印少量材料。除了材料的多样性之外,印刷速度也相对较快,切换材料的频率也很高。这使得能够对3D对象中不同材料的位置进行高精度控制。研究人员用坚硬和柔韧的材料印刷了两种结构——一种折纸形状和一种气动机器人行走器。

▲多种材料打印结构的示例:a)磁辅助DIW打印。b)使用Polyjet技术印刷在柔性矩阵中的数字SMP。c)使用DLP打印机打印的多材料SMP两盖盒。d)对3D对象进行多材料和空间控制(MASC)DLP打印,该3D对象由基于丙烯酸酯的柔性水凝胶以及由环氧和丙烯酸酯水凝胶组成的刚性混合物(比例尺为12mm)组成。

2. 嵌入式电子设备

通过一步3D打印工艺制造电子设备,如电池、传感器、执行器或电容器,对于软机器人来说非常重要。将电子控制和能源嵌入柔性/可拉伸3D物体的能力是全印刷软机器人发展的一个关键特征和重要步骤。为了使印刷嵌入式电子产品可行,适用于3D印刷的导电油墨是关键要求。

▲嵌入式电子设备的示例:a)DIW在气动执行器顶部印刷的多材料传感器。b)嵌入手套中的DIW打印传感器。c)SLA印刷空心传感器。

3. 不受束缚的自主机器人

不受束缚的自主设备代表了软机器人领域的新进展。这些设备由电池或小型泵系统驱动,这些电池或小型泵系统连接到机器人的身体,而不是连接到外部电源(例如电源或大型泵)。这些机器人可以避免布线,也不会被束缚在某个地方。然而,它们的制造,特别是当它们由软质材料构成时,具有挑战性,因为它们需要携带刚性且沉重的组件,例如电池、泵、电动机或电路板。关于无束缚的软机器人的报道很少,其具有多种致动机制,包括燃烧、气动、流体、离子、磁性、热或使用电动机。尽管某些报告的设备未进行3D打印,但仍有部分或全部3D打印的无束缚和自主机器人的示例。

作者介绍

▲Ela Sachyani Keneth是以色列耶路撒冷希伯来大学卡萨利应用化学中心,化学研究所和纳米科学与纳米技术中心的博士生。她的研究专注于制造用于软机器人的柔性印刷执行器。

▲Alexander Kamyshny是以色列耶路撒冷希伯来大学化学研究所的高级研究员。他的研究专注于纳米材料的合成和应用,尤其是无机纳米颗粒及其在印刷电子领域的利用。

▲Shlomo Magdassi是以色列耶路撒冷希伯来大学化学研究所的教授。他的研究专注于微米和纳米颗粒在各种领域(包括2D,3D和4D打印)的形成,配制和应用。除了学术研究,他的一些研究成果还导致了产业活动,例如全球销售和建立新公司。目前,他是希伯来大学功能和3D打印中心的负责人。

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