Forskere udvikler procesflow til at vejlede 3D-printning i soft robotics-feltet

Soft robotics er et voksende felt inden for kunstig intelligens. Disse systemer kan sikkert tilpasse sig 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 miniature-aktuatorer, der styres af pneumatisk tryk. Disse bløde robotter er nyttige til at navigere i komplekse, indsnævrede områder og manipulere med små objekter. 

En af konsekvenserne af at skala ned bløde pneumatisk robotter til millimeter er, at de så 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 at tilstoppe. Succesfulde eksempler på 3D-printning af miniature-bløde pneumatisk 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 miniature-pneumatisk 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 miniature-bløde robotaktuatorer,” sagde associate professor Qi (Kevin) Ge fra SUSTech, leder af forskningsprojektet. “For at sikre pålidelig printkvalitet og mekanisk præstation i de trykte produkter, introducerede vi en ny paradigm for systematisk og effektiv tilpasning af materialets formulering og nøgleprocessparametre.”

Måden, hvorpå DLP 3D-printning fungerer, er, at fotoabsorberende stoffer tilføjes til polymersolutioner. Dette forbedrer printopløsningerne i både lateral og vertikal retning. 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 fastlagde den passende materiaformulering baseret på mekaniske præstationsforsøg. Dernæst karakteriserede vi helingsdybden og XY-fideliteten 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, er vi i stand til at producere en samling af miniature-bløde pneumatisk robotaktuatorer med forskellige strukturer og morfologiske tilstande, 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 hardware-modifikation,” sagde korresponderende forfatter professor Qi Ge fra SUSTech.

Oven i dette har forskerne også udviklet en blød affalds fjerner, der har en kontinuum-manipulator og en 3D-printet miniature-blød pneumatisk griber. Den kan navigere gennem et indsnævret rum og indsamle små objekter, der er svære at nå. 

Disse nye udviklinger vil hjælpe med processen om at 3D-printe miniature-bløde robotter med komplekse geometrier og sofistikerede multimateriale-designs. Integrationen af trykte miniature-bløde pneumatisk aktuatorer i et robot-system vil give mange muligheder. Disse nye teknologier kan anvendes i anvendelser 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 i disse felter.