多材料3D列印：熱激活形狀記憶聚合物可增強軟體機器人承載能力

具有剛性部件的傳統機器人系統通常對人類操作員構成威脅。相比之下，最近蓬勃發展的軟致動器和機器人提供了出色的周圍環境適應能力，以及與人類安全，共存的交互作用。然而，由於硅橡膠等組成材料固有的低剛度特性，它們在承載任務方面的能力受到了削弱。

在尋找剛度可調材料，幫助增加軟機器人系統的承載能力而又不犧牲機器人與物體相互作用時的柔順性時，熱激活形狀記憶聚合物(SMP)作為一種有前途的候選者脫穎而出。SMP不僅能夠將剛度可逆地改變兩到三個數量級，而且還兼容3D列印。然而，到目前為止的報道中，我們經常看到，基於SMP的軟致動器通常受到諸如響應慢、變形小以及微特徵自動製造困難的限制。

32秒內完成軟化

來自新加坡科技與設計大學（SUTD）和上海交通大學（SJTU）的研究人員最近提出了一種使用有限元模擬和混合多材料3D列印來設計和製造快速響應、剛度可調（FRST）軟體的範例——能夠在32秒內完成軟化-硬化循環的致動器。

「我們將商業噴墨多材料3D列印技術與直接墨水書寫方法相結合，製造出我們的全列印FRST致動器，」SUTD科學與數學集群助理教授Qi（Kevin）Ge表示，他是這個項目的共同領導者之一，「剛度可調性由嵌入式SMP層提供，而快速響應則由嵌入式加熱和冷卻元件實現。」

實際上，將SMP層集成到致動器主體中可將其剛度提高多達120倍，而不會犧牲靈活性和適應性。列印有銀納米粒子墨水的可變形導電電路通過局部焦耳加熱激活SMP的橡膠狀態。在用加壓空氣使致動器變形時，SMP被冷卻，冷卻劑通過流體通道驅動以鎖定幾何形狀。

「即使在釋放壓縮空氣後，處於剛性狀態的變形致動器也可以執行承載任務。更重要的是，加熱-冷卻循環可以在大約半分鐘內完成，據我們所知，這是報告的最快速率。」Qi（Kevin）Ge教授說。

「我們還建立了計算模型來模擬我們FRST致動器的機械和熱電行為，」SUTD的博士後研究員張元芳說道，他是該論文的共同第一作者。「一旦通過實驗驗證，這些模型將用於指導FRST致動器的設計，並提供對提高負載能力的見解。」

總的來說，焦耳加熱迴路和流體微通道層的設計大大減少了加熱-冷卻循環的時間到約30秒，這顯著提高了熱響應剛度可調軟致動器的實用性，使其適合於進一步應用。上海交通大學這個項目的聯合負責人顧國英教授說：「為了展示我們原型的高負載能力和形狀適應性，我們設計了一個帶有三個FRST致動器的機器人手柄，可以任意抓取和提升物體。形狀和各種重量從不到10克到1.5公斤。」

來源：3D列印商情

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