Forskare utvecklar processflöde för att vägleda 3D-utskrifter i mjukrobotikområdet

Mjukrobotik är ett växande område inom artificiell intelligens. Dessa system kan anpassa sig säkert till komplexa miljöer och kan ha olika utformningar och storlekar, från meter till submikrometer.

De mjuka robotarna som är på millimeterskalan har särskild betydelse, eftersom de kan bestå av en kombination av miniatyriserade aktuatorer som styrs av pneumatisk tryck. Dessa mjuka robotar är användbara för att navigera i komplexa och trånga utrymmen och för att manipulera små föremål.

En av konsekvenserna av att skala ner mjuka pneumatiska robotar till millimeter är att de då får finare detaljer. Dessa minskas med mer än en storleksordning. Denna design kräver stor noggrannhet när de skapas med traditionella metoder som formning och mjuk litografi. Det finns nya tekniker som digital ljusbehandling (DLP) som producerar höga teoretiska upplösningar, men det är fortfarande svårt att undvika igensättning. Lyckade exempel på 3D-utskrifter av miniatyriserade mjuka pneumatiska robotar är sällsynta.

Forskare från Singapore och Kina, främst från Singapore University of Technology and Design (SUTD), Southern University of Science and Technology (SUSTech) och Zhejiang University (ZJU), har skapat ett generiskt processflöde för att vägleda DLP 3D-utskrifter av miniatyriserade pneumatiska aktuatorer för mjuka robotar. Dessa har en total storlek på 2-15 mm. Forskningen publicerades i Advanced Materials Technologies.

“Vi utnyttjade den höga effektiviteten och upplösningen hos DLP 3D-utskrifter för att tillverka miniatyriserade mjuka robotaktuatorer”, säger associate professor Qi (Kevin) Ge från SUSTech, som är huvudforskare för forskningsprojektet. “För att säkerställa tillförlitlig utskriftsTrohet och mekanisk prestanda i de utskrivna produkterna introducerade vi en ny paradigm för systematisk och effektiv anpassning av materialformuleringen och viktiga processparametrar.”

Sättet som DLP 3D-utskrifter fungerar är att fotoabsorbenter läggs till i polymerlösningar. Detta förbättrar utskriftsupplösningarna i laterala och vertikala riktningar. Om mängden ökar orsakar det snabb nedbrytning av materialets elasticitet. Elasticiteten är extremt viktig för mjuka robotar för att upprätthålla stora deformationer.

“För att uppnå en rimlig avvägning valde vi först en fotoabsorber med god absorbans vid den projicerade UV-ljusets våglängd och bestämde den lämpliga materialformuleringen baserat på mekaniska prestandatest. Därefter karakteriserade vi härdningdjupet och XY-troheten för att identifiera den lämpliga kombinationen av exponeringstid och skivtjocklek”, förklarar co-first author Yuan-Fang Zhang från SUTD.

“Genom att följa detta processflöde kan vi producera en mängd olika miniatyriserade mjuka pneumatiska robotaktuatorer med olika strukturer och former, alla mindre än en Singapore-dollar-mynt, på ett självbyggt multimaterial 3D-utskriftssystem. Samma metodologi bör vara kompatibel med kommersiella stereolitografi (SLA) eller DLP 3D-skrivare eftersom ingen hårdvarumodifiering krävs”, säger corresponding author Professor Qi Ge från SUSTech.

Utöver allt detta har forskarna också utvecklat en mjuk skräprensare som har en kontinuerlig manipulator och en 3D-utskriven miniatyriserad mjuk pneumatisk gripp. Den kan navigera genom ett trångt utrymme och samla in små föremål som är svåra att nå.

Dessa nya utvecklingar kommer att hjälpa till i processen att 3D-utskriva miniatyriserade mjuka robotar med komplexa geometrier och sofistikerade multimaterialdesigner. Integrationen av utskrivna miniatyriserade mjuka pneumatiska aktuatorer i ett robotsystem kommer att ge många möjligheter. Dessa nya tekniker kan tillämpas på applikationer som jetmotorunderhåll och minimalt invasiv kirurgi, och de kommer att fortsätta att utvecklas så att de kan gynna många fler områden.

Läs mer från Singapore University of Technology and Design, där du kan hitta information om aktuell forskning som utförs inom dessa områden.