打印出具有骨骼、韧带和肌腱的机器人

banwei   2023-12-04 13:25:32

打印出具有骨骼、韧带和肌腱的机器人

3D打印技术发展迅速,可以使用的材料范围也大大扩展。虽然此前该技术受限于快速固化的塑料,但现在也适用于缓慢固化的塑料。这些材料具有明显优势,因为它们具有增强的弹性特性,更加耐用和坚固。

这些聚合物的使用得益于瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究人员和一家美国初创公司开发的一种新技术。因此,研究人员现在能够一次性地使用各种高质量材料来3D打印复杂、更加耐用的机器人。这项新技术还可以轻松地将柔软、有弹性和刚性材料结合在一起。研究人员还可以利用这项技术按需创建精细的结构和带有空腔的零件。

材料可以恢复到原始状态    

利用这项新技术,ETH Zurich的研究人员首次成功地一次性打印出了一个机器人手,其中骨骼、韧带和肌腱由不同聚合物制成。“我们过去使用的快速固化聚丙烯酸酯无法制作这样的手部结构,”ETH Zurich机器人学教授Robert Katzschmann小组的博士生Thomas Buchner解释道,“我们现在使用的是缓慢固化的硫烯聚合物。它们具有非常好的弹性特性,在弯曲后恢复到原始状态的速度比聚丙烯酸酯要快得多。”这使硫烯聚合物非常适合制作机器人手部的弹性韧带。

此外,硫烯聚合物的刚度可以非常好地调节以满足软体机器人的要求。“使用软材料制作的机器人,比如我们开发的手部结构,比由金属制成的传统机器人具有优势。由于它们柔软,与人类共同工作时伤害风险较小,并且更适合处理易碎物品,”Katzschmann解释道。

扫描而非刮除    

3D打印机通常逐层制造物体:喷嘴在每个点上以粘稠的形式沉积一定的材料;随后紫外线灯立即固化每一层。以往的方法是在每个固化步骤之后使用一个刮除器械刮除表面的不平整。但这种方法仅适用于快速固化的聚丙烯酸酯。缓慢固化的聚合物,例如硫烯聚合物和环氧树脂,会堵塞刮刀。

为了适应缓慢固化的聚合物的使用,研究人员通过增加3D激光扫描仪进一步发展了3D打印技术。这个扫描仪立即检查每一层打印的表面是否有任何不规则。“一个反馈机制会在打印下一层时补偿这些不规则,通过实时、精确地计算需要打印的材料量来进行任何必要的调整,”美国麻省理工学院(MIT)教授Wojciech Matusik解释道。这意味着新技术在打印下一层时会考虑到不平整,而不是平滑不均匀的层。

Inkbit是麻省理工学院的一个衍生公司,负责开发这种新的打印技术。ETH Zurich的研究人员开发了多种机器人应用,并帮助优化了用于缓慢固化聚合物的打印技术。瑞士和美国的研究人员共同在《自然》杂志上发表了这项技术及其示例应用。在ETH Zurich,Katzschmann的团队将使用这项技术探索更多可能性,设计更加复杂的结构,并开发更多的应用。Inkbit计划利用这项新技术为其客户提供3D打印服务,并销售新的打印机。

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