Onderzoekers ontwikkelen processtroom om 3D-printen in soft robotics te begeleiden

Soft robotics is een groeiend vakgebied binnen Artificial Intelligence. Deze systemen kunnen veilig aanpassen aan complexe omgevingen en kunnen verschillende ontwerpen en lengteschalen hebben, van meters tot submicrometers. 

De zachte robots die op de millimeterschaal zijn, hebben speciale belangstelling, omdat ze kunnen bestaan uit een combinatie van miniaturiseringsactuatoren die worden gecontroleerd door pneumatische druk. Deze zachte robots zijn nuttig voor het navigeren door complexe, beperkte gebieden en het manipuleren van kleine objecten. 

Een van de gevolgen van het schalen van zachte pneumatische robots naar millimeters is dat ze fijnere kenmerken hebben. Deze worden verkleind met meer dan één orde van grootte. Dit ontwerp vereist een grote hoeveelheid precisie bij het creëren ervan door middel van traditionele methoden zoals gieten en zachte lithografie. Er zijn nieuwe technologieën zoals digitale lichtverwerking (DLP) die hoge theoretische resoluties produceren, maar het is nog steeds moeilijk om zonder verstopping te doen. Succesvolle voorbeelden van 3D-printen van miniaturiseringszachte pneumatische robots komen niet vaak voor. 

Onderzoekers uit Singapore en China, voornamelijk van de Singapore University of Technology and Design (SUTD), Southern University of Science and Technology (SUSTech) en Zhejiang University (ZJU), hebben een generieke processtroom ontwikkeld om DLP 3D-printen van miniaturiseringspneumatische actuatoren voor zachte robots te begeleiden. Deze hebben een totale grootte van 2-15 mm. Het onderzoek werd gepubliceerd in Advanced Materials Technologies. 

“We hebben de hoge efficiëntie en resolutie van DLP 3D-printen gebruikt om miniaturiseringszachte robotactuatoren te fabriceren,” zei Associate Professor Qi (Kevin) Ge van SUSTech, de hoofdonderzoeker van het onderzoeksproject. “Om een betrouwbare printnauwkeurigheid en mechanische prestaties in de geprinte producten te garanderen, hebben we een nieuw paradigma voor systematische en efficiënte aanpassing van de materiaalformulering en belangrijke verwerkingsparameters geïntroduceerd.”

De manier waarop DLP 3D-printen werkt, is door foto-absorbers toe te voegen aan polymersoplossingen. Dit verbetert de printresoluties in laterale en verticale richtingen. Het verhogen van de hoeveelheid zal een snelle achteruitgang in de elasticiteit van het materiaal veroorzaken. De elasticiteit is extreem belangrijk voor zachte robots om grote vervormingen te weerstaan. 

“Om een redelijke compromis te bereiken, hebben we eerst een foto-absorber met een goede absorptie bij de golflengte van het geprojecteerde UV-licht geselecteerd en de geschikte materiaalformulering op basis van mechanische prestatietests bepaald. Vervolgens hebben we de uithardingsdiepte en XY-nauwkeurigheid gekarakteriseerd om de geschikte combinatie van blootstellingstijd en laagdikte te identificeren,” legde co-first author Yuan-Fang Zhang van SUTD uit.

“Door deze processtroom te volgen, kunnen we een assortiment van miniaturiseringszachte pneumatische robotactuatoren met verschillende structuren en morfologieën produceren, allemaal kleiner dan een Singaporese dollar, op een zelfgebouwd multimateriaal 3D-printersysteem. Dezelfde methodologie zou compatibel moeten zijn met commerciële stereolithografie (SLA) of DLP 3D-printers, aangezien geen hardwareaanpassingen nodig zijn,” zei corresponderend auteur Professor Qi Ge van SUSTech.

Bovendien hebben de onderzoekers ook een zachte rommelverwijderaar ontwikkeld met een continuummanipulator en een 3D-geprinte miniaturiseringszachte pneumatische greep. Het kan door een beperkte ruimte navigeren en kleine objecten verzamelen die moeilijk te bereiken zijn. 

Deze nieuwe ontwikkelingen zullen helpen bij het proces van 3D-printen van miniaturiseringszachte robots met complexe geometrieën en geavanceerde multimateriaalontwerpen. De integratie van geprinte miniaturiseringszachte pneumatische actuatoren in een robotsysteem zal veel kansen bieden. Deze nieuwe technologieën kunnen worden toegepast op toepassingen zoals jet-engine-onderhoud en minimaal invasieve chirurgie, en ze zullen verder worden ontwikkeld om meer gebieden te kunnen bedienen. 

Zie meer van de Singapore University of Technology and Design, waar u informatie kunt vinden over het huidige onderzoek dat in deze gebieden wordt uitgevoerd.