具有刚性部件的传统机器人系统经常对人类操作员构成威胁。相比之下,最近蓬勃发展的软致动器和机器人提供了对环境的出色适应性,并与人类安全共存。然而,它们在承载任务中的能力被硅橡胶等组成材料固有的低刚度特性所破坏。
在寻找刚度可调材料,以帮助增加软机器人系统的负载能力,而不牺牲其在机器人-物体交互过程中的顺应性,热激活形状记忆聚合物(SMPs)作为一个有前途的候选者脱颖而出。smp不仅能够可逆地改变两到三个数量级的刚度,而且还与3D打印兼容。然而,到目前为止,据报道,基于smp的软执行器通常存在响应慢、变形小以及具有微特征的自动化制造困难等局限性。
新加坡科技与设计大学(SUTD)和上海交通大学(SJTU)的研究人员最近提出了一种范式,使用有限元模拟和混合多材料3D打印来设计和制造快速响应,刚度可调(FRST)软执行器,该执行器能够在32秒内完成一个软化-强化循环。
“我们将商业喷墨多材料3D打印技术与直接墨水书写方法相结合,来制造我们完全打印的FRST驱动器,”SUTD科学与数学集群的助理教授Qi (Kevin) Ge说,他是该项目的共同负责人之一。嵌入式SMP层提供了刚度可调性,嵌入式加热和冷却元件实现了快速响应。”
事实上,将SMP层集成到执行器体内,在不牺牲灵活性和适应性的情况下,将其刚度提高了120倍。用银纳米颗粒油墨印刷的可变形导电电路通过局部焦耳加热激活SMP的橡胶状态。在加压空气使致动器变形后,SMP通过流体通道被冷却剂冷却,以锁定几何形状。
“即使在释放加压空气后,处于僵硬状态的变形致动器也可以执行负载任务。更重要的是,一个加热-冷却循环可以在半分钟内完成,这是据我们所知的最快速度。”葛教授说。
“我们还建立了计算模型来模拟我们的FRST驱动器的机械和热电行为,”SUTD的博士后研究员、论文的共同第一作者张元芳说。“一旦通过实验验证,这些模型将用于指导FRST执行器的设计,并为增强负载能力提供见解。”
总体而言,焦耳加热电路和流体微通道层的设计大大缩短了加热-冷却周期至30秒左右,大大提高了热响应刚度可调软执行器的实用性,适合进一步应用。上海交通大学该项目的联合负责人guguoying Gu教授说:“为了展示我们原型的高负载能力和形状适应性,我们设计了一个带有三个FRST驱动器的机器人抓手,它可以抓取和举起任意形状和各种重量的物体,从10克到1.5公斤不等。”
故事来源:
提供的材料新加坡科技与设计大学。注:内容可能会根据风格和长度进行编辑。
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