Forscher entwickeln Prozessfluss zur Steuerung des 3D-Drucks im Bereich der Weichrobotik

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

Die Weichroboter, die auf der Millimeterskala sind, haben eine besondere Bedeutung, da sie aus einer Kombination von Miniatur-Aktuatoren bestehen, die von pneumatischem Druck gesteuert werden. Diese Weichroboter sind nützlich für die Navigation in komplexen, begrenzten Bereichen und die Manipulation von kleinen Objekten.

Eine der Folgen der Skalierung von Weichrobotern mit pneumatischem Antrieb auf Millimeter ist, dass sie feinere Merkmale haben. Diese werden um mehr als eine Größenordnung reduziert. Dieses Design erfordert eine große Delikatesse bei der Herstellung durch herkömmliche Methoden wie Gießen und Weichlithographie. Es gibt neue Technologien wie digitale Lichtverarbeitung (DLP), die hohe theoretische Auflösungen erzeugen, aber es ist immer noch schwierig, ohne Verstopfung zu arbeiten. Erfolgreiche Beispiele für den 3D-Druck von Miniatur-Weichrobotern mit pneumatischem Antrieb sind selten.

Forscher aus Singapur und China, hauptsächlich von der Singapore University of Technology and Design (SUTD), Southern University of Science and Technology (SUSTech) und Zhejiang University (ZJU), haben einen generischen Prozessfluss entwickelt, um den DLP-3D-Druck von Miniatur-Pneumatik-Aktuatoren für Weichroboter zu steuern. Diese haben eine Gesamtgröße von 2-15 mm. Die Forschung wurde in Advanced Materials Technologies veröffentlicht.

“Wir haben die hohe Effizienz und Auflösung des DLP-3D-Drucks genutzt, um Miniatur-Weichroboter-Aktuatoren herzustellen”, sagte Associate Professor Qi (Kevin) Ge von SUSTech, Leiter des Forschungsprojekts. “Um eine zuverlässige Drucktreue und mechanische Leistung in den gedruckten Produkten zu gewährleisten, haben wir ein neues Paradigma für die systematische und effiziente Anpassung der Materialformulierung und der wichtigsten Verarbeitungsparameter eingeführt.”

Die Funktionsweise des DLP-3D-Drucks besteht darin, Photoabsorber in Polymerlösungen hinzuzufügen. Dies verbessert die Druckauflösungen in lateraler und vertikaler Richtung. Eine Erhöhung der Menge führt zu einer schnellen Verschlechterung der Elastizität des Materials. Die Elastizität ist für Weichroboter von entscheidender Bedeutung, um große Deformationen zu überstehen.

“Um einen vernünftigen Kompromiss zu erreichen, haben wir zunächst einen Photoabsorber mit guter Absorption bei der Wellenlänge des projizierten UV-Lichts ausgewählt und die entsprechende Materialformulierung auf der Grundlage von mechanischen Leistungstests bestimmt. Anschließend haben wir die Aushärtetiefe und die XY-Treue charakterisiert, um die geeignete Kombination von Expositionsdauer und Schichtdicke zu identifizieren”, erklärte Co-Erstautor Yuan-Fang Zhang von SUTD.

“Indem wir diesem Prozessfluss folgen, können wir eine Vielzahl von Miniatur-Weichpneumatik-Roboter-Aktuatoren mit verschiedenen Strukturen und Morphing-Modi herstellen, alle kleiner als eine Singapur-Dollar-Münze, auf einem selbstgebauten Multimaterial-3D-Drucksystem. Die gleiche Methodik sollte mit kommerziellen Stereolithographie- (SLA-) oder DLP-3D-Druckern kompatibel sein, da keine Hardware-Modifikation erforderlich ist”, sagte Korrespondenzautor Professor Qi Ge von SUSTech.

Darüber hinaus haben die Forscher auch einen Weichabfall-Entferner entwickelt, der einen Kontinuum-Manipulator und einen 3D-gedruckten Miniatur-Weichpneumatik-Greifer enthält. Er ist in der Lage, durch begrenzte Räume zu navigieren und kleine Objekte in schwer zugänglichen Bereichen zu sammeln.

Diese neuen Entwicklungen werden den Prozess des 3D-Drucks von Miniatur-Weichrobotern mit komplexen Geometrien und sophisticateden Multimaterial-Designs unterstützen. Die Integration von gedruckten Miniatur-Weichpneumatik-Aktuatoren in ein Robotersystem wird viele Möglichkeiten bieten. Diese neuen Technologien können auf Anwendungen wie Wartung von Strahltriebwerken und minimalinvasiven Chirurgie angewendet werden und werden weiterentwickelt, um viele weitere Bereiche zu nutzen.

Weitere Informationen finden Sie auf der Website der Singapore University of Technology and Design, wo Sie Informationen über aktuelle Forschungsarbeiten in diesen Bereichen finden können.