多材料3D打印技术取得重大突破

2019-02-26 09:32

一般来讲，刚性驱动器，也称为夹持器，是机器人的标准配置；它们具有软涂层，以避免划伤机器人所接触的任何物体表面，但最终驱动器必须相对坚硬，以承受所举物体的重量。对于涉及到更轻、易碎物体的应用，硬性驱动器必须换成更软、更灵活的驱动器。现在，来自新加坡科技设计大学和上海交通大学的研究团队开发出了具有可调刚度的3D打印多材料驱动器，这可以避免因任务不同而不得不更换驱动器。

这款驱动器包括一层活化形状记忆聚合物（SMP），该材料可以根据温度的变化而改变刚度。先前，尝试用形状记忆聚合物制造驱动器，其结果并不理想，响应缓慢，清晰度有限。但该跨国研究团队使用直写成型技术和多材料3D打印技术，将加热元件和冷却元件插入驱动器中，从而研发出首个快速响应、刚度可调的软性驱动器。

此项目的共同负责人之一，新加坡科技设计大学科学和数学系的助理教授Qi （Kevin） Ge说道：“我们将商用喷墨多材料3D打印技术与直写成型技术相结合，制造出全打印快速响应、刚度可调的驱动器，嵌入式形状记忆聚合物层可以形成刚度可调性，而快速响应则由于嵌入式加热元件和冷却元件。”

形状记忆聚合物层使得驱动器的硬度是基材的120多倍，还不失灵活性，并且，得益于温度控制元素，在仅仅32秒内，驱动器可以经受整个冷热循环（从25°C上升到70°C，然后回落至25°C）！葛教授说道：“变形驱动器在其僵硬状态下甚至在释放压缩空气之后，可以执行荷载任务。更重要的是，冷热循环可以在大约半分钟内完成。”

此外，该团队还设计了计算机模型，用于指导后续驱动器的设计。新加坡科技设计大学博士后研究员、论文共同第一作者张元芳说道：“我们还建立了计算模型，以模拟首个驱动器的机械性能和热电性能，一旦通过实验验证，这些模型将用于指导快速响应、刚度可调驱动器的设计，并帮助提升负载能力。

当然，没有经过实践检验，任何研究都是不完整的，所以研究团队制作了带有三个快速响应、刚度可调驱动器的机械手，并演示了它举起和抓取各种物体，包括灯泡和哑铃。项目共同负责人Guoying Gu教授解释道：“为了展示原型的高负载能力和形状自适应性，我们设计了快速响应、刚度可调的驱动器的机械手，可以抓取和举起任意形状和10克到1.5公斤之间不同重量的物体。”3D打印驱动器，响应快速，刚度可调，它帮助研究人员设计出的机械手与人手有着相似的灵活性。人手具有动态刚度，这得益于骨骼、肌肉、肌腱、血液、脂肪和皮肤之间的协作，因此设计并制造出与人类的手十分相似的模型，是十分复杂的，但借助于3D打印，研究人员正在稳步实现这一目标！