Forskere udvikler procesflow til at vejlede 3D-printning i blødt robotikområde

Blød robotik er et voksende felt inden for kunstig intelligens. Disse systemer kan tilpasse sig sikkert til komplekse miljøer, og de kan have forskellige designs og længdeskalaer, fra meter til sub-mikrometer. 

De bløde robotter, der er på millimeterskalaen, har særlig betydning, da de kan bestå af en kombination af miniaturaktuatorer styret af pneumatiske tryk. Disse bløde robotter er nyttige til at navigere i komplekse og begrænsede områder og manipulation af små objekter. 

En af konsekvenserne af at skala bløde pneumatiske robotter ned til millimeter er, at de derefter har finere træk. Disse er reduceret med mere end en størrelsesorden. Denne design kræver en stor del af finesse, når de skabes gennem traditionelle midler som formning og blød litografi. Der er nogle nye teknologier som digital lysbehandling (DLP), der producerer høje teoretiske opløsninger, men det er stadig svært at gøre uden tilstopning. Succesfulde eksempler på 3D-printning af miniaturbløde pneumatiske robotter sker ikke ofte. 

Forskere fra Singapore og Kina, primært fra Singapore University of Technology and Design (SUTD), Southern University of Science and Technology (SUSTech) og Zhejiang University (ZJU), har skabt en generisk procesflow til at vejlede DLP 3D-printning af miniaturpneumatiske aktuatorer til bløde robotter. Disse har en samlet størrelse på 2-15 mm. Forskningen blev offentliggjort i Advanced Materials Technologies. 

“Vi udnyttede den høje effektivitet og opløsning af DLP 3D-printning til at fabrikere miniaturbløde robotaktuatorer,” sagde associate professor Qi (Kevin) Ge fra SUSTech, leder af forskningsprojektet. “For at sikre pålidelig printtroværdighed og mekanisk præstation i de trykte produkter, introducerede vi en ny paradigm for systematisk og effektiv tilpasning af materialets formulering og nøgleprocessparametre.”

Måden DLP 3D-printning fungerer på er, at fotoabsorberes tilføjes til polymersolutioner. Dette forbedrer printopløsningerne i laterale og vertikale retninger. At øge mængden vil forårsage en hurtig nedgang i materialets elasticitet. Elasticiteten er ekstremt vigtig for bløde robotter til at holde store deformationer. 

“For at opnå en rimelig balance, valgte vi først en fotoabsorber med god absorbance ved den projicerede UV-lysbølgelængde og bestemte den passende materiaformulering baseret på mekaniske præstationsforsøg. Dernæst karakteriserede vi helingsdybden og XY-trofasthed for at identificere den passende kombination af eksponeringstid og skåret lagtykkelse,” forklarede co-first author Yuan-Fang Zhang fra SUTD.

“Ved at følge denne procesflow, kan vi producere en samling af miniaturbløde pneumatiske robotaktuatorer med forskellige strukturer og morfiske modi, alle mindre end en enkelt Singapore-dollar-mønt, på et selvbygget multimateriale 3D-printsystem. Den samme metode burde være kompatibel med kommercielle stereolitografi (SLA) eller DLP 3D-printere, da der ikke kræves nogen hårdvarerapportering,” sagde korresponderende forfatter professor Qi Ge fra SUSTech.

Oven i alt dette har forskerne også udviklet en blød affaldsfjerner, der har en kontinuummanipulator og en 3D-printet miniaturblød pneumatiske griber. Den kan navigere gennem et begrænset rum og indsamle små objekter, der er svære at nå. 

Disse nye udviklinger vil hjælpe med processen af 3D-printning af miniaturbløde robotter med komplekse geometrier og sofistikerede multimateriale-designs. Integrationen af trykte miniaturbløde pneumatiske aktuatorer i et robot-system vil give mange muligheder. Disse nye teknologier kan anvendes til applikationer som jetmotor-maintenance og minimalt invasiv kirurgi, og de vil fortsætte med at blive udviklet, så de kan gavne mange flere områder. 

Se mere fra Singapore University of Technology and Design, hvor du kan finde information om aktuel forskning, der udføres på disse områder.