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瑞典研究人员4D打印微米级软体机器人

2020年8月10日,南极熊从外媒获悉,来自瑞典林雪平大学的一个研究小组,利用定制的基于挤出的3D打印机开发了一套用于微型机器人的微型执行器。这些致动器包含一种电活性聚合物,在电荷存在的情况下会改变形状--在3D打印后,赋予了它们4D能力。

虽然4D打印的软机器人通常仅限于厘级或毫级,但特别开发的技术允许研究人员将他们的执行机制缩小到微米领域,厚度在20微米左右。他们声称他们的定制机器具有多功能性和可扩展性,并期望通过以前未曾见过的复杂的微型机器人来 "拓宽软机器人技术的范围"。

电活性聚合物技术

电活性聚合物(EAP)技术是许多软性机器人设备背后的驱动力。它描述的是当受到电荷的作用时,能够激活或启动的材料。在软性机器人中,这与肌肉收缩相当(并且通常看起来像肌肉收缩)。

根据研究人员的说法,试图缩小EAP致动器的规模往往会遇到挑战。光刻技术等微细加工技术能够实现更低的致动电位和更高的功率重量比,但往往涉及复杂的加工。这使得它们难以与当前的市场和技术相结合。

这时,快速成型制造提供了大量的好处,能源成本可以大幅削减,废物生产可以减少十倍。最终,该团队认为,这可能会使EAP设备的成本更低,并在更广泛的应用中具有可行性。

4D打印微执行器

研究的第一阶段是打印机的制造。该机器的基础是一个三轴可编程数控平台,配备了一个高精度的液体分配系统。与点胶系统相连接的是一个5mL锁定注射器,从而通过平台的横向运动来控制挤出速度,该团队使用市售的玻璃玻片作为构建板。

他们首先在玻璃片上放置了一层薄薄的金,只有40纳米厚,以形成导电层。然后,研究人员用注射器将一层单层的紫外线固化聚氨酯丙烯酸酯凝胶分散到导电层上。该凝胶将继续形成微执行器的 "身体和手臂"。一旦凝胶在紫外光下完全固化,该团队就会在金片的另一面沉积一层聚吡咯(EAP)。

该团队设法多次重复这一过程,打印出长度从5000微米一直到1000微米的微致动器。他们开发的最薄的微致动器只有20微米厚。研究人员发现,他们可以用小到1V的电势来驱动设备,而其他3D打印方法的电势一般为1kV以上。科学家们认为,他们的工作为通过3D打印技术开发的低成本微型机器人的小型化展示了巨大的潜力。

更多的研究细节可以在题为 ‘3D Printing Microactuators for Soft Microrobots’ 的论文中找到。该论文由Manav Tyagi、Geoffrey M. Spinks和Edwin W.H. Jager共同撰写。

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