3D打印人造肌肉实现新突破，可以轻松举起自身重量的1000倍

来源：世界先进制造技术论坛

意大利理工学院（IIT）的研究人员，利用3D打印技术，开发了一种新的机械手，该团队宣称，使用SLA 3D工艺制造的人工肌肉，更具备仿生能力。

△IIT研究人员的机械手，配有3D打印的GRACE执行器

这个栩栩如生的肢体，由一系列可收缩和拉长执行器组成，或者可以称它为 "GRACES "。这些执行器由树脂膜3D打印而成，可以像肌肉一样拉伸和收缩。这些微小的执行器仅重8克，可以举起自身重量的1000倍，当集成到一个机器人手时，它们具备人类手指一样的功能，如弯曲、扭转手掌和转动手腕的能力。

△研究结果发表截图

基于3D打印的生物仿生技术

自然界充满了对动物和植物仿生学研究的例子，这对材料科学家和工程师来说仍然是一种启发。为了在人工结构和机器人中重现这些特性，研究人员经常求助于3D打印，并在这样做的过程中，完成了一些令人印象深刻的生物模仿。

△墨鱼骨骼布局的SEM和显微CT图像

在浙江大学，科学家们根据墨鱼的启发，利用3D打印技术，模仿海洋生物独特的能量吸收能力。事实上，该团队的早期模型具备超强的耐压能力，以至于它们能够承受高达其自身重量2万倍的压力。同样，中国台湾省科技大学的工程师们，已经用FDM 3D打印了海胆壳状格子，而不需要任何支撑材料。

在其他地方，在软体机器人的生物模仿尝试中，研究人员已经部署了，能够将能量和电信号转换为运动的执行器，以创造具有逼真动作的机器人。而中国的科学家通过3D打印软性机器人手指，向肢体生产迈进。

通过有效地结合这些方法，IIT团队说，未来有可能3D打印出，足够强大和灵活的软执行器，以有效地 "与自然和社会环境相结合"，应用范围从生物多样性保护，再到老年人日常护理。因此，该团队认为，他们的机器人手原型，是朝着使这种设备更容易创造的方向迈出的第一步。

△从FEM模拟中，获得的GRACE应变分布结果

开发具有GRACE功能的机械手

根据IIT研究人员的说法，人工执行器现已达到发展过程中一个重要的阶段，它们能够实现与生物肌肉相同的收缩性能。然而，在他们的论文中，该团队补充说，以往的技术所面临的问题，很难再现由人体内部复杂的肌肉排列，所带来的 "运动的多样性和优雅"。

为了解决这个问题，该团队设计出了，由单一材料褶皱膜组成的GRACE人工肌肉，它们，从头到尾都是利用数学模型来收缩和伸展。因此，执行器能够按照预期执行，而无需集成应变限制元素。

△Form 3L（左）和 Form 3（右）3D打印机

通过Formlabs Form 3D打印设备，使得研究人员，能够将褶皱集成到设备的膜上，它们具备折叠和展开功能，同时，赋予了它们，能够承受反复变形所需的灵活性和强度。在实践中，该团队宣称，这些3D打印手机经过测试，可以举起越来越重的物品，无论是单独还是分组。

△该团队的光弹性测试装置

事实证明，根据用于制造这些设备的材料的参数，它们能够举起比自身重几个数量级的物体。在一个案例中，8克的GRACE原型模型，甚至能够举起8公斤的重量，这使得科学家们重新认识到，它们可以作为仿真肌肉和身体部位的一种潜在手段。

为了测试这一理论，研究人员选择连接18个不同大小的执行器，来创建一个机器人手和手腕。通过对每个3D打印膜施加压力，他们发现可以用类似人类的动作，和效率来操作这只手。在成功测试了他们的方法后，该团队说，它证明了在单一生产步骤中，3D打印功能性肌肉的可能性。

"GRACE可以通过低成本的3D打印方式来制造，甚至可以直接在功能性设备中制造出来，比如，只需一步就能完成3D打印的气动假肢。”“这使得基于气动人工肌肉的原型设计和制造更快、更直接。”