如何脱离双手操控任天堂？3D打印具有流体电路的柔性机器人手指横空出世！

来源：江苏激光联盟

最新一期《Science Advances》的封面上突出展示了软机器人领域的一项有前途的创新，该领域的重点是创造新型的柔性充气机器人，这些机器人使用水或空气而不是电力提供动力。软机器人固有的安全性和适应性引起了人们对其在假肢和生物医学设备等应用中使用的兴趣。不幸的是，控制使这些软机器人弯曲和移动的流体一直特别困难——直到现在。

在过去的十年中，软机器人领域已经证明自己特别适合于使用传统的刚性机器人难以或不可能实现的应用。对由流体装置（例如液压和/或气动）驱动的柔性材料的依赖为软机器人带来了许多固有的好处，特别是在人机交互的安全性、较低的成本和几何形状的适应性方面复杂和/或精致的物体。然而，目前，软机器人实用性的一个关键障碍源于增加独立操作的软执行器（或自由度）的数量通常需要相同或更多数量的不同控制输入的要求。为了减少或消除对此类外部控制方案的需求，研究人员研究了多种通过流体逻辑增强软机器人自主性的方法。

与将独立流体电路手动连接到软机器人的努力相比，人们对将此类功能直接嵌入软机器人系统的能力越来越感兴趣。然而，自推出以来，这种制造方法尚未在软机器人社区中得到广泛采用，这可能是由于依赖于基于软光刻的流体回路。具体而言，将多层软光刻方法用于集成流体电路制造提出了许多挑战，包括与以下方面相关的挑战：(i) 执行微制造协议的成本、时间和/或劳动力要求；(ii) 访问和培训限制（例如，使用洁净室设施和设备）；(iii) 由于基于用户技能的手动对齐步骤，设备功效和/或再现性的可变性；(iv) 光刻和微成型工艺固有的几何（即平面或“2.5D”）限制。此外，虽然研究人员已经展示了广泛的流体阀门功能，但基于此类制造方法，实现更复杂的功能，尤其是那些基于压力增益操作的功能并不简单。

在这里，来自马里兰大学的研究人员提出了一种新颖的策略，通过多材料“PolyJet 三维（3D）打印”（图 1）在单次打印中增材制造具有完全集成流体电路的统一软机器人系统。最初，可以在计算机辅助设计 (CAD) 软件中设计和组装模块化组件，例如流体电路元件、互连件和接入端口以及软机器人执行器和结构构件（图 1A），以生成 3D 模型具有完全集成流体电路的软机器人（图 1B）。尽管研究人员在软机器人和流体电路领域使用了广泛的增材制造技术，但她们认为 PolyJet 3D 打印特别适合同时制造这两类系统作为统一实体. PolyJet 打印是一种基于喷墨（“材料喷射”）的过程，在该过程中，多种光反应性和牺牲性支撑材料并行分配（具有持续的紫外线剂量），以逐行、逐层的方式生产3D对象。此前，研究人员曾报道过使用 PolyJet 打印构建软执行器和机器人（即，没有流体电路）以及独立的流体阀。然而，在这项工作中，研究人员增材制造了完全集成的软机器人系统——即，包括所有的软执行器；身体特征（任意设计）；和流体电路元件、互连件和端口——在单次印刷中（图 1、C 和 D）。这个过程需要同时打印三种不同的材料：（i）柔顺的光聚合物（图 1C，黑色），（ii）刚性光塑材料（图 1C，白色），和（iii）牺牲水溶性支撑材料（图 1C，黄色）。使用牺牲支撑材料的一个警告是，它必须在打印过程后从外部区域以及内部空隙和通道中去除或溶解（图 1E）。研究人员已经展示了许多技术来最小化 (42, 43) 甚至完全绕过支撑去除过程 (40, 44)；然而，为了促进广泛的可及性，我们在这里使用了一种混合方法，该方法将手动去除步骤（例如，数十分钟的数量级）与自主溶解协议相结合。结合起来，基于 PolyJet 的增材制造和后处理方法的整体——其中绝大多数是自主的——可以在不到一天的时间内执行，以实现具有完全集成流体电路的 3D 多材料软机器人（例如，图 1F）。

▲ PolyJet 3D 打印统一软机器人系统的设计和增材制造策略，包括在单次打印中完全集成的流体电路

图解：(A) 模块化 3D CAD 模型和流体电路元件、流体互连、软致动器和结构外壳的类似电子电路符号。(B) 具有完全集成的流体振荡器电路的统一软机器人的 CAD 模型和相应的模拟电路图。(C) 多材料 PolyJet 3D 使用柔顺（黑色）、刚性（白色）和水溶性支撑（黄色）材料打印软机器人的概念图。(D) PolyJet 3D 打印过程的顺序延时图像。比例尺，5 厘米。(E 和 F) 在去除支撑材料之前和 (F) 之后，具有集成流体电路 (E) 的统一多材料软机器人的制造结果。比例尺，2 厘米。

以前，软机械手的每个手指通常都需要自己的控制线，这会限制便携性和实用性。但是通过使用该集成流体晶体管 3D打印机械手，它可以根据一个压力输入来玩任天堂游戏。

作为演示，该团队设计了一个集成的流体回路，允许手根据单个控制压力的强度进行操作。例如，施加低压力导致只有食指按压任天堂控制器使马里奥行走，而高压力导致马里奥跳跃。在设定程序的引导下，自动在关闭、低、中和高压之间切换，机械手能够按下控制器上的按钮，在不到 90 秒的时间内成功完成超级马里奥兄弟的第一关。

目前，该团队正在探索将他们的技术用于生物医学应用，包括康复设备、手术工具和可定制的假肢。由于 Sochol 是 Fischell 生物工程系的附属教师，也是马里兰机器人中心和 Robert E. Fischell 生物医学设备研究所的成员，因此该团队拥有一个特殊的环境，可以继续推进他们的战略，以应对紧迫的挑战。生物医学领域。

本文来源：Joshua D. Hubbard et al, Fully 3D-printed soft robots with integrated fluidic circuitry, Science Advances (2021).  DOI: 10.1126/sciadv.abe5257