這個(gè)栩栩如生的肢體,由一系列可收縮和拉長執(zhí)行器組成,或者可以稱它為 "GRACES "。這些執(zhí)行器由樹脂膜3D打印而成,可以像肌肉一樣拉伸和收縮。這些微小的執(zhí)行器僅重8克,可以舉起自身重量的1000倍,當(dāng)集成到一個(gè)機(jī)器人手時(shí),它們具備人類手指一樣的功能,如彎曲、扭轉(zhuǎn)手掌和轉(zhuǎn)動(dòng)手腕的能力。
基于3D打印的生物仿生技術(shù)
? ? ? 自然界充滿了對(duì)動(dòng)物和植物仿生學(xué)研究的例子,這對(duì)材料科學(xué)家和工程師來說仍然是一種啟發(fā)。為了在人工結(jié)構(gòu)和機(jī)器人中重現(xiàn)這些特性,研究人員經(jīng)常求助于3D打印,并在這樣做的過程中,完成了一些令人印象深刻的生物模仿。
△墨魚骨骼布局的SEM和顯微CT圖像
在浙江大學(xué),科學(xué)家們根據(jù)墨魚的啟發(fā),利用3D打印技術(shù),模仿海洋生物獨(dú)特的能量吸收能力。事實(shí)上,該團(tuán)隊(duì)的早期模型具備超強(qiáng)的耐壓能力,以至于它們能夠承受高達(dá)其自身重量2萬倍的壓力。同樣,中國臺(tái)灣省科技大學(xué)的工程師們,已經(jīng)用FDM 3D打印了海膽殼狀格子,而不需要任何支撐材料。
? ? ? 在其他地方,在軟體機(jī)器人的生物模仿嘗試中,研究人員已經(jīng)部署了,能夠?qū)⒛芰亢碗娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器,以創(chuàng)造具有逼真動(dòng)作的機(jī)器人。而中國的科學(xué)家通過3D打印軟性機(jī)器人手指,向肢體生產(chǎn)邁進(jìn)。
? ? ? ?通過有效地結(jié)合這些方法,IIT團(tuán)隊(duì)說,未來有可能3D打印出,足夠強(qiáng)大和靈活的軟執(zhí)行器,以有效地 "與自然和社會(huì)環(huán)境相結(jié)合",應(yīng)用范圍從生物多樣性保護(hù),再到老年人日常護(hù)理。因此,該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,他們的機(jī)器人手原型,是朝著使這種設(shè)備更容易創(chuàng)造的方向邁出的第一步。
開發(fā)具有GRACE功能的機(jī)械手
? ? ? ?根據(jù)IIT研究人員的說法,人工執(zhí)行器現(xiàn)已達(dá)到發(fā)展過程中一個(gè)重要的階段,它們能夠?qū)崿F(xiàn)與生物肌肉相同的收縮性能。然而,在他們的論文中,該團(tuán)隊(duì)補(bǔ)充說,以往的技術(shù)所面臨的問題,很難再現(xiàn)由人體內(nèi)部復(fù)雜的肌肉排列,所帶來的 "運(yùn)動(dòng)的多樣性和優(yōu)雅"。
? ? ? ?為了解決這個(gè)問題,改團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了,由單一材料褶皺膜組成的GRACE人工肌肉,它們,從頭到尾都是利用數(shù)學(xué)模型來收縮和伸展。因此,執(zhí)行器能夠按照預(yù)期執(zhí)行,而無需集成應(yīng)變限制元素。
通過Formlabs Form 3D打印設(shè)備,使得研究人員,能夠?qū)Ⅰ薨櫦傻皆O(shè)備的膜上,它們具備折疊和展開功能,同時(shí),賦予了它們,能夠承受反復(fù)變形所需的靈活性和強(qiáng)度。在實(shí)踐中,該團(tuán)隊(duì)宣稱,這些3D打印手機(jī)經(jīng)過測(cè)試,可以舉起越來越重的物品,無論是單獨(dú)還是分組。
事實(shí)證明,根據(jù)用于制造這些設(shè)備的材料的參數(shù),它們能夠舉起比自身重幾個(gè)數(shù)量級(jí)的物體。在一個(gè)案例中,8克的GRACE原型模型,甚至能夠舉起8公斤的重量,這使得科學(xué)家們重新認(rèn)識(shí)到,它們可以作為仿真肌肉和身體部位的一種潛在手段。
? ? ? 為了測(cè)試這一理論,研究人員選擇連接18個(gè)不同大小的執(zhí)行器,來創(chuàng)建一個(gè)機(jī)器人手和手腕。通過對(duì)每個(gè)3D打印膜施加壓力,他們發(fā)現(xiàn)可以用類似人類的動(dòng)作,和效率來操作這只手。在成功測(cè)試了他們的方法后,該團(tuán)隊(duì)說,它證明了在單一生產(chǎn)步驟中,3D打印功能性肌肉的可能性。
? ? ? ?"GRACE可以通過低成本的3D打印方式來制造,甚至可以直接在功能性設(shè)備中制造出來,比如,只需一步就能完成3D打印的氣動(dòng)假肢。”“這使得基于氣動(dòng)人工肌肉的原型設(shè)計(jì)和制造更快、更直接?!?/p>
來源:南極熊3D打印
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