多材料3D打印：热激活形状记忆聚合物可增强软件机器人承载能力

具有刚性部件的传统机器人系统通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出色的周围环境适应能力，以及与人类安全，共存的交互作用。然而，由于硅橡胶等组成材料固有的低刚度特性，它们在承载任务方面的能力受到了削弱。

在寻找刚度可调材料，帮助增加软机器人系统的承载能力而又不牺牲机器人与物体相互作用时的柔顺性时，热激活形状记忆聚合物(SMP)作为一种有前途的候选者脱颖而出。SMP不仅能够将刚度可逆地改变两到三个数量级，而且还兼容3D打印。然而，到目前为止的报道中，我们经常看到，基于SMP的软致动器通常受到诸如响应慢、变形小以及微特征自动制造困难的限制。

32秒内完成软化

来自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）软件的范例——能够在32秒内完成软化-硬化循环的致动器。

“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，制造出我们的全打印FRST致动器，”SUTD科学与数学集群助理教授Qi（Kevin）Ge表示，他是这个项目的共同领导者之一，“刚度可调性由嵌入式SMP层提供，而快速响应则由嵌入式加热和冷却元件实现。”

实际上，将SMP层集成到致动器主体中可将其刚度提高多达120倍，而不会牺牲灵活性和适应性。打印有银纳米粒子墨水的可变形导电电路通过局部焦耳加热激活SMP的橡胶状态。在用加压空气使致动器变形时，SMP被冷却，冷却剂通过流体通道驱动以锁定几何形状。

“即使在释放压缩空气后，处于刚性状态的变形致动器也可以执行承载任务。更重要的是，加热-冷却循环可以在大约半分钟内完成，据我们所知，这是报告的最快速率。”Qi（Kevin）Ge教授说。

“我们还建立了计算模型来模拟我们FRST致动器的机械和热电行为，”SUTD的博士后研究员张元芳说道，他是该论文的共同第一作者。“一旦通过实验验证，这些模型将用于指导FRST致动器的设计，并提供对提高负载能力的见解。”

总的来说，焦耳加热回路和流体微通道层的设计大大减少了加热-冷却循环的时间到约30秒，这显著提高了热响应刚度可调软致动器的实用性，使其适合于进一步应用。上海交通大学这个项目的联合负责人顾国英教授说：“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致动器的机器人手柄，可以任意抓取和提升物体。形状和各种重量从不到10克到1.5公斤。”

来源：3D打印商情