多材料3D打印技術(shù)取得重大突破

發(fā)布日期：2019-02-26 08:31:39

一般來講，剛性驅(qū)動(dòng)器，也稱為夾持器，是機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)配置；它們具有軟涂層，以避免劃傷機(jī)器人所接觸的任何物體表面，但最終驅(qū)動(dòng)器必須相對(duì)堅(jiān)硬，以承受所舉物體的重量。對(duì)于涉及到更輕、易碎物體的應(yīng)用，硬性驅(qū)動(dòng)器必須換成更軟、更靈活的驅(qū)動(dòng)器?，F(xiàn)在，來自新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)和上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了具有可調(diào)剛度的3D打印多材料驅(qū)動(dòng)器，這可以避免因任務(wù)不同而不得不更換驅(qū)動(dòng)器。


這款驅(qū)動(dòng)器包括一層活化形狀記憶聚合物(SMP)，該材料可以根據(jù)溫度的變化而改變剛度。先前，嘗試用形狀記憶聚合物制造驅(qū)動(dòng)器，其結(jié)果并不理想，響應(yīng)緩慢，清晰度有限。但該跨國研究團(tuán)隊(duì)使用直寫成型技術(shù)和多材料3D打印技術(shù)，將加熱元件和冷卻元件插入驅(qū)動(dòng)器中，從而研發(fā)出首個(gè)快速響應(yīng)、剛度可調(diào)的軟性驅(qū)動(dòng)器。

此項(xiàng)目的共同負(fù)責(zé)人之一，新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)科學(xué)和數(shù)學(xué)系的助理教授Qi (Kevin) Ge說道：“我們將商用噴墨多材料3D打印技術(shù)與直寫成型技術(shù)相結(jié)合，制造出全打印快速響應(yīng)、剛度可調(diào)的驅(qū)動(dòng)器，嵌入式形狀記憶聚合物層可以形成剛度可調(diào)性，而快速響應(yīng)則由于嵌入式加熱元件和冷卻元件?！?/span>



形狀記憶聚合物層使得驅(qū)動(dòng)器的硬度是基材的120多倍，還不失靈活性，并且，得益于溫度控制元素，在僅僅32秒內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器可以經(jīng)受整個(gè)冷熱循環(huán)(從25°C上升到70°C，然后回落至25°C)！葛教授說道：“變形驅(qū)動(dòng)器在其僵硬狀態(tài)下甚至在釋放壓縮空氣之后，可以執(zhí)行荷載任務(wù)。更重要的是，冷熱循環(huán)可以在大約半分鐘內(nèi)完成?！?/span>

此外，該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)模型，用于指導(dǎo)后續(xù)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)博士后研究員、論文共同第一作者張?jiān)颊f道：“我們還建立了計(jì)算模型，以模擬首個(gè)驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械性能和熱電性能，一旦通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這些模型將用于指導(dǎo)快速響應(yīng)、剛度可調(diào)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，并幫助提升負(fù)載能力。

當(dāng)然，沒有經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，任何研究都是不完整的，所以研究團(tuán)隊(duì)制作了帶有三個(gè)快速響應(yīng)、剛度可調(diào)驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械手，并演示了它舉起和抓取各種物體，包括燈泡和啞鈴。項(xiàng)目共同負(fù)責(zé)人Guoying Gu教授解釋道：“為了展示原型的高負(fù)載能力和形狀自適應(yīng)性，我們?cè)O(shè)計(jì)了快速響應(yīng)、剛度可調(diào)的驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械手，可以抓取和舉起任意形狀和10克到1.5公斤之間不同重量的物體?！?D打印驅(qū)動(dòng)器，響應(yīng)快速，剛度可調(diào)，它幫助研究人員設(shè)計(jì)出的機(jī)械手與人手有著相似的靈活性。人手具有動(dòng)態(tài)剛度，這得益于骨骼、肌肉、肌腱、血液、脂肪和皮膚之間的協(xié)作，因此設(shè)計(jì)并制造出與人類的手十分相似的模型，是十分復(fù)雜的，但借助于3D打印，研究人員正在穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)！

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