研究人员巧用“FDM挤压不足”开发3D打印仿生机器人，且效果更优
时间:2025-02-19 11:08 来源:未知 作者:admin 点击:次
2025年2月18日，特温特大学(UT) 和南丹麦大学(SDU)的研究人员想出了一个巧妙的方法来加强混合机器人中软材料和刚性材料之间的联系，这是机器人技术领域的一个持续挑战。有趣的是，他们的方法将日常FDM打印过程中常遇到的“挤压不足”问题转化为优势。通过故意让打印机创建多孔结构，他们找到了一种提高材料间粘合性的方法。此外，这种方法适用于标准熔融沉积成型 (FDM) 打印机，因此比需要昂贵的多材料打印机的现有解决方案更容易使用。
△仿生混合夹钳模仿人类指甲，其特点是刚性指甲板粘合在多孔网上，复制了指甲和甲床之间的天然粘合。图片来自 UT
相关研究以题为 “Bio-inspired 3D printing approachfor bonding soft and rigid materials through underextrusion”的论文发表在《自然》杂志上，作者包括南达科他大学的研究人员 Arman Goshtasbi、德克萨斯大学的 Luca Grignaffini 和 Ali Sadeghi。
模仿自然来增强机器人技术
机器人中的软部件和硬部件各有优势，但如何让它们正确粘合一直是一件棘手的事情。这些材料处理应力的方式不同，这往往会导致粘合力较弱，而传统的粘合方法（如粘合剂）在机械应变下会成为失效点。然而，大自然提供了一种解决方案。就像生物结缔组织无缝连接肌肉和骨骼一样，研究人员开发出了一种纤维状多孔结构，可以加强软质和硬质材料之间的连接。这种方法反映了肌腱、韧带和其他自然界面如何分配压力，从而防止突然的机械故障。通过严格的测试，他们微调了实现强度和灵活性最佳平衡所需的孔隙率，标志着仿生机器人技术向前迈进了一步。数字说明了一切。在搭接剪切和剥离测试中，这种方法比传统粘合剂的性能高出 200%。使用 Ecoflex 00-10 和 DragonSkin 10 硅橡胶进行的实验表明，与常用粘合剂相比，粘合力明显更强，使软机器人具有更好的耐用性。
对于气动软机器人而言，气密密封至关重要，该方法也显示出了良好的效果。在模拟压力条件下，使用该技术形成的粘合力比使用粘合剂粘合的粘合力高出三倍，增强了其在充气和混合机器人系统中的潜力。通过提供一种简单、低成本的方式来在不同材料之间建立牢固的结合，这种方法可以改变混合机器人的制造方式。应用可以扩展到任何机械可靠性至关重要的环境，为软机器人开辟新的可能性。据研究人员称，未来的工作可能会探索通过模仿自然界软硬材料之间的逐渐过渡来进一步完善这项技术的方法。使用 ABS 和 PETG 等替代 3D 打印材料进行测试也可以揭示使粘合力更强的方法。
△搭接剪切和剥离试验结果。图片来自 UT
仿生机器人研究
过去，3D 打印已为多种独特的仿生机器人的开发做出了贡献。加州大学圣地亚哥分校的研究人员做出了一项显著贡献，他们介绍了一种更经济的3D 打印软体昆虫机器人的方法。他们的柔性骨架打印方法可与标准 FDM 打印机配合使用，将刚性细丝层叠在加热的热塑性基座上。
柔性骨骼制造技术灵感来自昆虫的外壳。图片来自 Soft Robotics
这种方法简化了生产，无需昂贵的多材料 3D 打印，使软机器人更容易实现。该技术从昆虫外骨骼中汲取灵感，平衡了灵活性和结构支撑。在测试中，打印的机器人表现出了更好的强度和耐用性，原型成功自行行走。2022 年，萨里大学的一名学生开发了一款3D 打印机器鱼，用于从水道中收集微塑料。这款名为 Gillbert 的机器人由埃莉诺·麦金托什于 2022 年发明，具有鳃状结构和细网，可捕获小至两毫米的塑料颗粒，同时允许水通过。这款设计赢得了2022 年自然机器人大赛，并在实验室环境和英国湖泊中成功进行了测试。当时，它是远程控制的，未来计划包括提高其游泳速度和自主性。
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