軟體機(jī)器人的出現(xiàn)，帶來了控制這些系統(tǒng)的底層射流有關(guān)的新挑戰(zhàn)。在此，來自美國馬里蘭大學(xué)的Ryan D. Sochol等研究者，介紹了一種通過PolyJet三維(3D)打印在單個(gè)打印運(yùn)行中，由完全集成的射流電路組成的增材制造統(tǒng)一軟體機(jī)器人的策略。相關(guān)論文以題為“Fully 3D-printed soft robots with integrated fluidic circuitry”發(fā)表在Science Advances上。

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257

在過去的十年里，軟體機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)確立了自己的地位，因?yàn)樗貏e適合使用傳統(tǒng)的、剛性的機(jī)器人很難或不可能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。依賴于由射流手段(如液壓和/或氣動)驅(qū)動的柔順材料，給軟體機(jī)器人帶來了一些固有利益，特別是在人機(jī)交互的安全性、低成本和在操作復(fù)雜和/或精密物體的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性方面。然而，目前軟體機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵障礙是，要求增加獨(dú)立操作的軟體執(zhí)行器(或自由度)的數(shù)量，通常要求相等或更多的不同控制輸入。為了減少或消除這種外部控制方案的需要，研究人員已經(jīng)研究了一系列通過射流邏輯增強(qiáng)軟體機(jī)器人自主性的方法。

與人工將獨(dú)立的射流電路連接到軟體機(jī)器人上的研究相反，人們對將這些功能直接嵌入軟體機(jī)器人系統(tǒng)的能力越來越感興趣。特別值得注意的是Wehner等人報(bào)道的一種混合策略，即，使用基于無塵室的多層軟光刻協(xié)議來制造微流控振蕩器，然后利用各種制造技術(shù)，如計(jì)算機(jī)數(shù)控加工、多材料鑄造、嵌入式犧牲式直接墨水書寫、熱固化/疏散過程，激光切割，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)可以周期性驅(qū)動的不受束縛的軟“章魚機(jī)器人”。然而，由于依賴于基于軟光刻的射流電路，這種制造方法尚未在軟體機(jī)器人領(lǐng)域得到廣泛采用。此外，雖然研究人員已經(jīng)證明了射流閥的廣泛功能，但基于這種制造方法，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，特別是基于壓力增益操作的功能并不簡單。

為了在更大的規(guī)模上繞過上述挑戰(zhàn)，Rothemund等人引入了軟雙穩(wěn)態(tài)閥，作為射流模擬電子Schmitt觸發(fā)器。遺憾的是，目前的改進(jìn)方法，都沒有辦法有效解決上述挑戰(zhàn)。因此，制造基于射流電路的軟體機(jī)器人的替代方法，仍然是關(guān)鍵需求。

在此，研究者提出了一種新的策略，即通過多材料“PolyJet三維(3D)打印”，在單個(gè)打印過程中增材制造統(tǒng)一的軟體機(jī)器人系統(tǒng)和完全集成的射流電路(圖1)。最初，模塊化的組件，如射流電路元件、互連、訪問端口以及軟體機(jī)器人作動器和結(jié)構(gòu)部件(圖1A)，可以在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)和組裝，生成具有完全集成的射流電路的軟體機(jī)器人的三維模型(圖1B)。雖然研究人員已經(jīng)在軟體機(jī)器人和射流電路領(lǐng)域廣泛使用了增材制造技術(shù)，但研究者認(rèn)為PolyJet 3D打印是唯一適合同時(shí)制造兩類系統(tǒng)作為統(tǒng)一實(shí)體的技術(shù)。PolyJet打印是一種基于噴墨的(材料噴射)過程，其中，多個(gè)光反應(yīng)性和犧牲支撐材料被平行分配(與連續(xù)的紫外線劑量)，以逐行、一層一層的方式產(chǎn)生3D物體。

在這項(xiàng)工作中，研究者通過增材制造了完全集成的軟體機(jī)器人系統(tǒng)，即，包括所有的軟執(zhí)行器；車身特征(任意設(shè)計(jì))；和射流電路元件，互連和端口-在一次打印運(yùn)行(圖1C和D及相關(guān)動畫)。該過程需要同時(shí)印刷三種不同的材料：(i)順應(yīng)性光聚合物(圖1C，黑色)；(ii)剛性光塑材料(圖1C，白色)；(iii)犧牲的水溶性支撐材料(圖1C，黃色)。

圖1 PolyJet 3D打印統(tǒng)一軟體機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和增材制造策略，該系統(tǒng)包括在單個(gè)打印運(yùn)行中完全集成的射流電路。

圖2 基于PolyJet 3D打印的射流電路元件的工作原理和結(jié)果，包括柔順(黑色)和剛性(白色)材料集成。

圖3 恒流型軟體機(jī)器龜?shù)墓ぷ髟砑皩?shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4基于正弦輸入的軟體機(jī)器龜?shù)墓ぷ髟砑皩?shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5 集成射流電路的預(yù)編程、基于非周期射流輸入的軟機(jī)械手的概念和結(jié)果。

綜上所述，研究者本文提出的基于polyjet的戰(zhàn)略提供了獨(dú)特的承諾，在提高軟體機(jī)器人領(lǐng)域的可及性的同時(shí)，支持一定程度的再現(xiàn)性和設(shè)計(jì)多功能性，與此同時(shí)，這是目前還沒有報(bào)道過的替代方法。

此外，感興趣的研究人員可以隨時(shí)下載、修改和/或復(fù)制(例如，3D打印現(xiàn)場或通過商業(yè)3D打印服務(wù))這里演示的所有功能，從而為具有廣泛學(xué)術(shù)背景的研究人員提供了一個(gè)新的途徑，以設(shè)計(jì)、增材制造和推進(jìn)由完全集成的射流電路組成的軟體機(jī)器人系統(tǒng)。