Forscher entwickeln Prozessablauf zur Steuerung des 3D-Drucks im Bereich Soft Robotics

Weiche Robotik ist ein wachsendes Feld innerhalb der künstlichen Intelligenz. Diese Systeme können sich sicher an komplexe Umgebungen anpassen und können verschiedene Designs und Längenskalen haben, von Metern bis zu Submikrometern. 

Eine besondere Bedeutung kommt den Softrobotern im Millimeterbereich zu, da sie aus einer Kombination von Miniaturaktoren bestehen können, die durch pneumatischen Druck gesteuert werden. Diese Soft-Roboter eignen sich zum Navigieren in komplexen, begrenzten Bereichen und zum Manipulieren kleiner Objekte. 

Die Verkleinerung weichpneumatischer Roboter auf Millimeter hat unter anderem zur Folge, dass sie dann über feinere Eigenschaften verfügen. Diese werden um mehr als eine Größenordnung reduziert. Dieses Design erfordert ein hohes Maß an Feingefühl bei der Herstellung mit traditionellen Mitteln wie Formen und weicher Lithographie. Es gibt einige neue Technologien wie Digital Light Processing (DLP), die hohe theoretische Auflösungen erzeugen, aber es ist immer noch schwierig, ohne Verstopfungen zu arbeiten. Erfolgreiche Beispiele für den 3D-Druck von weichen pneumatischen Miniaturrobotern gibt es nicht oft. 

Forscher aus Singapur und China, hauptsächlich aus der Singapur Universität für Technologie und Design (SUTD), Südliche Universität für Wissenschaft und Technologie (SUSTech) und Zhejiang Universität (ZJU) haben einen generischen Prozessablauf zur Steuerung des DLP-3D-Drucks von pneumatischen Miniaturantrieben für Softroboter erstellt. Diese haben eine Gesamtgröße von 2-15 mm. Die Forschung wurde veröffentlicht in Fortschrittliche Materialtechnologien. 

„Wir haben die hohe Effizienz und Auflösung des DLP-3D-Drucks genutzt, um weiche Roboteraktuatoren im Miniaturformat herzustellen“, sagte Associate Professor Qi (Kevin) Ge von SUSTech, leitender Forscher des Forschungsprojekts. „Um eine zuverlässige Drucktreue und mechanische Leistung der Druckprodukte sicherzustellen, haben wir ein neues Paradigma für die systematische und effiziente Anpassung der Materialformulierung und der wichtigsten Verarbeitungsparameter eingeführt.“

Der DLP-3D-Druck funktioniert so, dass Photoabsorber in Polymerlösungen gegeben werden. Dadurch werden die Druckauflösungen in seitlicher und vertikaler Richtung verbessert. Eine Erhöhung der Menge führt zu einem raschen Verlust der Elastizität des Materials. Die Elastizität ist für weiche Roboter äußerst wichtig, um große Verformungen auszuhalten. 

„Um einen vernünftigen Kompromiss zu erzielen, haben wir zunächst einen Fotoabsorber mit guter Absorption bei der Wellenlänge des projizierten UV-Lichts ausgewählt und die geeignete Materialformulierung anhand mechanischer Leistungstests ermittelt. Als nächstes haben wir die Aushärtetiefe und die XY-Genauigkeit charakterisiert, um die geeignete Kombination aus Belichtungszeit und Schichtdicke zu ermitteln“, erklärte Co-Erstautor Yuan-Fang Zhang von SUTD.

„Durch die Befolgung dieses Prozessablaufs sind wir in der Lage, auf einem selbstgebauten Multimaterial-3D-Drucksystem eine Auswahl weicher pneumatischer Miniatur-Roboteraktuatoren mit verschiedenen Strukturen und Morphing-Modi herzustellen, die alle kleiner als eine Singapur-Dollar-Münze sind. Die gleiche Methodik sollte mit kommerziellen Stereolithographie- (SLA) oder DLP-3D-Druckern kompatibel sein, da keine Hardwaremodifikation erforderlich ist“, sagte Professor Qi Ge von SUSTech, korrespondierender Autor.

Darüber hinaus entwickelten die Forscher auch einen Weichteil-Entferner, der über einen Kontinuumsmanipulator und einen 3D-gedruckten weichen pneumatischen Miniaturgreifer verfügt. Es ist in der Lage, durch einen begrenzten Raum zu navigieren und kleine Objekte einzusammeln, die sich an schwer zugänglichen Stellen befinden. 

Diese neuen Entwicklungen werden den Prozess des 3D-Drucks von Miniatur-Softrobotern mit komplexen Geometrien und anspruchsvollen Multimaterial-Designs unterstützen. Die Integration gedruckter weicher pneumatischer Miniaturaktoren in ein Robotersystem bietet viele Möglichkeiten. Diese neuen Technologien können auf Anwendungen wie die Wartung von Flugzeugtriebwerken und minimal-invasive Chirurgie angewendet werden und werden weiterentwickelt, sodass sie in vielen weiteren Bereichen von Nutzen sein können. 

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