3D打印传感器网络集成软机器人，具有可持续性

发布时间：2022-02-08 07:14:20来源：未知大陆

约翰内斯·开普勒大学林茨分校的研究人员利用3D打印生产了具有集成传感器网络的软机器人，该传感器网络能够拉伸到原始长度的六倍。该研究的一个重点是解决软机器人应用程序开发带来的许多可持续性问题，例如该领域使用不可生物降解的材料及其随后日益增长的环境影响。为了尽量减少这种情况，研究人员3D打印的软机器人由完全可生物降解的材料制成，因此可以重复打印多次或在其使用寿命结束时无害地处理。具有集成波导传感器的可持续3D打印软执行器更可持续的软机器人根据林茨科学家的说法，虽然软机器人在功能方面经常从大自然中汲取灵感，但创造这些应用所涉及的材料往往是不可生物降解的，或者来自不可再生资源。该团队发现，由于目前软材料的使用寿命有限，或者无法检索部署的机器人的应用，该领域需要提高其可持续性证书。此外，传统的制造方法（如模具铸造）通常无法复制大自然创造的复杂性。以前的工作已经使用这种传统技术对可生物降解的软机器人进行了研究，但是所生产的机器人在几何形状和特征尺寸方面受到限制。为了解决这两个问题，研究人员开发了一种基于FDM的定制增材制造工艺，将完全可生物降解的明胶墨水打印到具有集成传感器网络的稳定、复杂的软机器人中。基于明胶的生物凝胶的3D打印实现可生物降解的软机器人研究人员着手改进现有的软机器人方法，这些方法缺乏完全可持续和实用的设备所必需的机械稳定性、可重复使用性或生物降解性。他们的技术基于完全可降解的基于明胶的水凝胶，当补充甘油和糖浆时，可提供理想的可调性和可拉伸性。生物凝胶的热可逆性使它们能够在随后的印刷过程中重复使用多达五次，同时保持其可拉伸性。该团队调整了现有的膏体挤出机设计，并将其与两级加热系统一起集成到3D打印机中，以使他们能够更好地控制凝胶化过程。使用该系统，研究人员3D打印了他们的软机器人设备的主体和嵌入式可拉伸波导传感器，这使这些设备具有了本体和外部感受能力。可拉伸波导的集成网络使软机器人能够控制其导航并通过传输光与周围环境交互。2×2mm的平板波导通过一步工艺打印出来，并连接到发光二极管(LED)和光电二极管(PD)以完成传感器。当波导与外部物体接触时，波导充当触摸传感器，因为当沿波导的区域被外力压缩时，由于光在受力点被吸收或散射，导致传输强度降低。研究人员利用这种效果构建了一个带有六个按钮的视频游戏式控制器板，其中包含一个由三个波导组成的网络。触摸时，按钮会在不同位置压缩波导网络，从而识别按下了哪个按钮。3D打印明胶基可拉伸波导对于软机器人本身，研究人员3D打印了一个可生物降解的三腔致动器，其直径为16.6毫米，高度为60毫米，能够在不到一秒的时间内响应压力或变形。然后，他们将他们的3D打印波导传感器与致动器结合起来，以获取有关致动器弯曲状态的信息以及与周围物体的接触事件。在此之后，该团队能够向软机器人设备引入所谓的“搜索和删除”程序，以使其能够清除路径上的障碍物。致动器可以感测其路径内的接触事件，并在检测到压力从障碍物方向的所有腔室中释放以将其推开。多向自感应执行器的性能提高检测能力尽管该研究成功地展示了3D打印软机器人技术的更生态方法，但研究人员确定了几个未来可以改进的领域。他们承认，区分不同的刺激，如弯曲和触摸，对设备来说是一个挑战，这可以通过实施能够在各种波长或光调制下运行的分布式光纤网络来克服。该团队还表示，增加其设计的复杂性将需要更先进的执行器形状和多材料组合，这可以通过开发合适的可生物降解支撑材料来实现，以打印悬垂特征或空腔。结合机械、电气和光学调谐的生物凝胶来实现更复杂的致动器机制也将增强未来软机器人设备的传感和控制能力。关于该领域的可持续发展，研究人员表示，生命周期结束时的考虑至关重要，通过再水化、降低打印温度和提高打印速度来恢复生物凝胶的可打印性，可以实现更多的再打印周期。最终，该团队相信其可持续的3D打印方法可能会通过减少生态足迹和废物产生对软机器人产生“积极影响”。有关该研究的更多信息，请参阅发表在《科学机器人》杂志上的题为“用于全向和外部感受软执行器的弹性生物凝胶的3D打印”的论文。该研究由A.Heiden、D.Preninger、L.Lehner、M.Baumgartner、M.Drack、E.Woritzka、D.Schiller、R.Gerstmayr、F.Hartmann和M.Kaltenbrunner共同撰写。搜索和删除例程