中日两国研究人员3D打印软体机器人手指

　　2020年6月1日，外媒报道称，浙江理工大学，天津大学，南京来自日本理工大学和立命馆大学的一个研究团队利用3D打印技术制造了一个柔软的机器人手指。

　　该装置由嵌入式单电极摩擦电曲率传感器(S-TECS)供电，可在超低工作频率下感应弯曲曲率，无需外接电源即可实现添加数字弯曲曲率。该设备是作为概念验证而制造的。多材料3D打印不仅可以用于制造软致动器，还可以用于制造功能传感器。研究人员希望这项创新可以用来制造可控的软机器人。

　　△3D打印的机器人手指由九层腔体组成(如图)，照片来自Science Direct。

　　构造机器人手指的独特方法

　　随着软机器人研究的进展和新制造方法的发展，人与机器人的交互越来越安全，这为这项技术开辟了新的应用空间。比如现在已经可以直接打印出一个具有不透气的复杂结构和坚硬部件的软体机器人。这种发展带来了一些创新，例如Wyss研究所在2015年生产的3D打印跳跃机器人。

　　其他软机器人项目，如Wyss团队的项目，也将基于压电、导电、磁性和有机光学材料的软传感器集成到他们的软机器人设计中。然而，据研究人员称，这些传感器可能存在一些缺点，如原型设计时间长，电缆连接不稳定，系统组装复杂，系统集成困难。

　　因此，研究小组选择使用接触式带电传感器。这类部件具有很高的拉伸性和灵敏度，可以让机器人手指实时主动感知其变形或反应。在这个过程中使用3D打印还使团队能够使用多种材料，并通过使用一步打印过程缩短了原型制作时间。通过接触通电曲率传感器和可拉伸电极的组合，研究人员的TECS传感器成功避免了与之前项目相同的集成复杂性。

　　△S-TEC传感器如何引起接触电化学的概述，图片来自Science Direct。

　　将S-TEC传感器集成到3D打印零件中

　　该装置的主体由连接到主气道的九个充气室组成，并且每个充气室的形状为矩形，这提供了用于印刷S-TECS图案的平面。硬加固充气室的宽度为2毫米，两端有两个垫圈来支撑S-TECS的顶层，两层之间的高度为3毫米。根据其腔体结构，加数只能向一个方向弯曲。当手指弯曲时，S-TECS的顶层开始接近底层，直到完全接触，从而激活接触电，产生电流。

　　这个设备基于Stratasys。公司由Objet350 3D打印机制作，分为两部分:强化软件体和连接器。S-TECS的图案直接印刷在手指主体的顶面上，以简化整个制造过程并减少生产时间。该装置的三层和软件由类似橡胶的AgilusBlack印刷材料制成，因为其拉伸强度为2.75MPa，断裂伸长率为250%。在室温下固化24小时。当手指的3D打印部件被拧在一起，S-TECS被硅胶粘合剂连接起来，组装就完成了。

　　研究人员通过改变传感器的表面结构、对其施加的力以及工作频率的自动设置，测试了传感器在不同条件下的性能。研究人员发现，将传感器与不同的软材料集成在一起，并不会降低整个机器人系统的灵活性和适应性。此外，在0.06Hz的超低工作频率下，该传感器被证明可以测量高达8.2 m-1的手指曲率。

　　该试验不仅证明了S-TECS作为自供电曲率传感器的有效性，也证明了利用多材料3D打印技术制作接触式电气化柔性机器人结构的可行性。研究人员认为，这种方法未来可能用于具有高级传感功能的机器人应用中。

　　快速原型制造与软机器人技术

　　3D打印技术已经被用于制造软性机器人，应用范围很广，从航空航天到医疗都有。

　　来自纽约康奈尔大学的研究人员在2020年1月开发了一种3D打印的柔软机器人肌肉，可以通过出汗来控制其内部温度。它的软手指致动器可以保持水分，并对温度做出反应，从而自我冷却。

　　2019年5月，美国宇航局的一对研究人员利用3D打印技术成功制造了一种软机器人致动器，这是机器人运动部件动画和控制的关键部件。这项研究是对太空中潜在软机器人应用的更广泛调查的一部分。

　　罗格斯大学新不伦瑞克分校的研究人员在2018年5月创造了一种新的水凝胶3D打印材料，这种材料非常灵活，可以像人一样走路。该材料是为医疗行业的应用而开发的，可用于组合。药物它被输送到身体的目标部位，这降低了患者受伤的风险。

　　研究人员的研究结果在他们题为“基于多材料3D打印的具有自供电摩擦电曲率传感器的柔软机器人手指”的论文中详细介绍了他们的发现。。这项研究发表在《科学指导》杂志上，朱明珠，谢，宣，岛冈和川村佐藤是这项研究的共同作者。