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

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 millimeter-schaal zijn, hebben speciale belangstelling, omdat ze kunnen bestaan uit een combinatie van mini-actuators 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 zijn verkleind met meer dan één orde van grootte. Dit ontwerp vereist een grote mate van delicaatheid bij het creëren ervan met traditionele middelen zoals gieten en zachte lithografie. Er zijn enkele 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 mini-soft-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 mini-pneumatische actuators voor zachte robots te leiden. 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 mini-zachte robot-actuators 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 nieuwe paradigma voor systematische en efficiënte aanpassing van de materiaalformulering en sleutelverwerkingsparameters geïntroduceerd.”

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

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

“Door deze processtroom te volgen, zijn we in staat om een assortiment van mini-zachte pneumatische robot-actuators met verschillende structuren en morfologische modi te produceren, allemaal kleiner dan een Singaporese dollar, op een zelfgebouwd multimateriaal 3D-printsysteem. Dezelfde methodologie zou compatibel moeten zijn met commerciële stereolithografie (SLA) of DLP 3D-printers, aangezien geen hardwareaanpassingen nodig zijn,” zei corresponding author Professor Qi Ge van SUSTech.

Bovenop al dit alles hebben de onderzoekers ook een zachte rommelverwijderaar ontwikkeld die een continuum-manipulator en een 3D-geprinte mini-zachte pneumatische gripper heeft. Het is in staat om door een beperkt gebied te navigeren en kleine objecten te verzamelen die moeilijk te bereiken zijn.

Deze nieuwe ontwikkelingen zullen helpen bij het proces van 3D-printen van mini-zachte robots met complexe geometrieën en geavanceerde multimateriaalontwerpen. De integratie van geprinte mini-zachte pneumatische actuators in een robot-systeem zal veel kansen bieden. Deze nieuwe technologieën kunnen worden toegepast op toepassingen zoals onderhoud van straalmotoren en minimaal invasieve chirurgie, en ze zullen blijven worden ontwikkeld zodat ze veel meer gebieden kunnen profiteren.

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