3D打印软机器人再登《Advanced Materials》

导读：还记得全3D打印流体电路软机器乌龟以及会玩马里奥的机器手么（详情请参考：全3D打印流体电路软机器人，美国马里兰大学《Science Advances》）？如果不记得的话，那么新的3D打印软机器鳐鱼可以了解一下！

南极熊获悉，华盛顿州立大学、新加坡科技与设计大学和科罗拉多大学丹佛分校学者们提出了一种设计和直接制造新型软复合结构的方法，利用计算拓扑优化以及弹性有机硅聚合物制造软复合结构。团队将这种方法结合仿生设计制造了一种鳐鱼形态的软机器人，并模拟游泳状态。

△软复合材料。A） 刚性基质中软纤维状的E3DP以调整机械性能：嵌入储层（材料 2）中的短纤维状阵列（材料 2）有助于调整复合结构的拉伸性能。B） 软复合材料的测试样品。C） 复合材料样品及其单个组件拉伸试验的应力－应变曲线。

材料和结构在软机器人性能方面起着关键作用，然而，当前的设计和制造方法在复杂结构和功能上存在一定的限制，并阻碍了软机器人的性能。在本篇论文里，研究团队将拓扑优化（TO）与增材制造相结合，受到鳐鱼启发制造软机器人，并利用鳍的水下运动作为实验工具针对运动学进行研究。

△制作软蝙蝠形机器人。A） 机器人本体使用FFF制造。B） 内部组件（例如，制动器、传感器、电池等），分配器将主体基质材料沉积在模具内部。C） 精密分配器将最佳图案嵌入弹性体墨水。D） 将具有各向同性材料的各种墨水嵌入各向同性基体材料中。E） 鳍打印：通过DIW沉积鳍水库。F） 鳍片打印：复合纤维E3DP。G） 复合翅片。H） 成品软鳐鱼机器人复合鳍。I） 各向同性硬鳍。J） 优化的复合鳍。

团队改进了市售的多用途3轴运动控制3D打印机（System 30M，Hyrel Inc．），以及一个可容纳多达四个打印头的托架工具。FFF制造工艺使用厂商配置打印头（MK1－250，Hyrel Inc），而流体分配使用气动流体分配系统（Ultimus V，Nordson EFD）与通过定制适配器连接到3D打印机的针头和注射器。G代码使用开源Slic3r包的定制版本，从CAD数据自动生成，并针对复杂结构对核心包进行了大量修改。拓扑优化被用于设计具有复杂内部结构的复合软鳍，通过微调模拟鳍的振荡行为。这种软机器人在设计和制造的两个关键步骤实现自动化：i） 使用TO的复合结构设计和 ii） 在单个制造中心制造复杂结构，这极大地促进了定制能力软机器人制造的发展。

△软机器人设计与拓扑优化。A）机器人组件：两个伺服驱动的襟翼激发胸鳍振动。内部微控制器单元、可充电电池和感应充电单元可实现完全自主。B） 类鳐鱼鳍运动学和相关参数。C） 大胸鳍（浅灰色）模型。黑色鳍区域表示嵌入的挡板位置，红色边缘是固定的，蓝色和绿色边缘代表鳍的自由边界。D）不同材料区域的初始和优化设计，以及通过短黑线表示的最佳纤维方向。E） 优化目标z，相对于初始误差与迭代次数进行归一化。F） 从模拟（黑色曲线）和实验（蓝色曲线）与目标运动学（红色曲线）获得的最佳设计的同相（实线）和异相（虚线）偏转的比较。G）从模拟获得的不同时间的最佳翅片设计的跨度（即（C）中的蓝色边缘）挠度，H）从实验获得的跨度翅片挠度。

软机器鳐鱼具有大鳍，可以像真的生物行为一样运动，通过推进器（鳍）的变化会对机动性和推进力产生显著影响。每个软鳍具有一个柔性挡板，由伺服电机驱动，用于激发鳍振荡。机器人配备触发板载ArduinoUno微控制器，并由可充电锂电池供电。模型长180毫米，具有中等浮力，并使用铂催化有机硅聚合物完全封装。

△软机器人性能表征的实验装置。A） 三个鳍片（鳍片A、鳍片D和复合鳍片）在下划结束时的侧视图快照。B） 长120厘米、宽120厘米、深70厘米的钢化玻璃水箱。C） 力和扭矩测量实验装置的细节。D） 有效波长。

与传统软机器人制造方法相比，本研究中提出的集成制造工艺能够以更少的人工干预实现优化材料特性分布，在新的复杂度水平上产生所需的身体运动学。通过将自动化材料混合过程纳入制造，消除手动步骤，例如工具更换和材料重新填充。进一步的工作可以通过更集成的方式为E3DP刀具路径自动生成G代码，并带有线框或类似矢量的打印移动（具有方向性）。另外，还可以将CAD数据转换为刀具路径和机器控制程序，以及提高分辨率增加纤维密度，完善鳍片并实现自动化。