全3D打印流体电路软机器人，美国马里兰大学《Science Advances》

导读：提到机器人时，人们通常会想到许多类似星球大战等电影中C-3PO之类的形象。但在过去10年里，软机器人的概念出现了。这种机器人使用空气或水等流体，以及柔软、灵活的材料。与传统硬机器人不同，软机器人具有人机交互的安全性，还能进行改造，例如抓住小巧物体或具有复杂几何形状之类的东西。

美国马里兰大学和加州大学伯克利分校、卡内基梅隆大学学者利用PolyJet这种3D打印方法，在单次打印中制造包含完全集成流体电路的软机器人。这种机器人利用新型3D流体电路元件（例如，流体二极管、“常闭”晶体管和具有几何可调压力增益功能的“常开”晶体管）来响应流体传统电子信号，包括“直流 (DC)”、“交流(AC)”，还可以通过预编程（“可变电流”）进行状态调节。

△PolyJet 3D打印软机器人系统，在单次打印中集成流体电路。( 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 ) 使用弹性（黑色）、刚性（白色）和水溶性支撑（黄色）材料多材料PolyJet 3D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之后(F) 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。图片来源：Ruben Acevedo，马里兰大学帕克分校。

研究团队使用了Stratasys的PolyJet3D 打印机Objet500 Connex3，以及SolidWorks软件建模所有流体回路元件、软执行器、端口和集成软机器人系统。并使用了3种Stratasys生产的材料进行打印工作：

• MED610：刚性光塑材料
• Agilus30：弹性光聚合物材料
• SUP706：水溶性牺牲支撑材料
  

△基于恒流的软体机器龟的工作原理和实验结果。（A到F）软机器人的概念图，集成的流体振荡器电路，以及对应于基于恒流输入条件的六个主要状态的模拟电路图。(G ) 在具有代表性的操作期间，在恒定流量条件 (10 ml/min) 下软机器人功能的实验结果。比例尺，3厘米。图片来源：Ruben Acevedo，马里兰大学帕克分校。（H）在恒定流量条件下（10 毫升/分钟），每个软驱动肢体的归一化垂直变形随时间的量化实验结果。蓝色，左肢；红色，右肢。au，任意单位。

受到仿生学的启发，团队以乌龟为模本制造了3种具有不同集成流体电路的软机器人，并对它们的操作性能进行研究。针对不同传统电信号，这些流体电路软机器人可分为以下三类：

• 在恒流 [“直流(DC)”] 输入条件下为软肢产生周期性、异相驱动
• 利用不同压力增益特性的嵌入式流体晶体管，在正弦 [“交流电 (AC)”] 流体输入条件下产生周期性游泳运动
• 利用单个预编程非周期性（“可变电流”）压力输入，通关“超级马里奥兄弟”第一关的弹性机械手
  

△基于正弦输入的软体机器人乌龟的工作原理和实验结果。（A到D）基于正弦输入条件和恒定输入的四种主要状态的概念图和模拟电路图。 (E ) 制造结果。比例尺，2 厘米。图片来源：Ruben Acevedo，马里兰大学帕克分校。（F）软执行器相关的鳍状肢位移的实验结果。(G)在恒定输入和以0.1 Hz 的频率从 0 到 80 kPa 振荡的正弦输入下的鳍状肢位移路径的 DIC 处理实验结果。蓝色和红色分别表示与通货膨胀和通货紧缩相关的位移周期。

在团队创建的软机器人中，研究人员认为基于恒流的软机器人乌龟最适合作为比较使用不同流体回路的软机器人参考模板，它的振荡行为也与其他相关文献报道行为一致。针对机械手，团队成功利用特殊的流体晶体管实现手指运动控制。通过压力的变化，手指会进行不同运动，从而操作游戏控制器按钮。有趣的是，研究人员利用这一特点并使用编程控制，完成了实时游戏操作，成功通关超级马里奥兄弟第一关。

△具有集成流体电路的预编程、基于非周期性流体输入的软机械手的概念和结果。（A到D）基于不同幅度的四种主要状态的概念图和模拟电路图。（E和F）软机器人手指实验结果。比例尺，2 厘米。图片来源：马里兰大学帕克分校的Kristen M. Edwards、Jennifer Landry 和Ryan D. Sochol。（G）软机器人手指-流体晶体管系统。误差带表示 SD。( H ) PolyJet 3D打印过程的顺序延时图像。比例尺，2 厘米。图片来源：Joshua D.Hubbard，马里兰大学帕克分校。（I）制作结果。比例尺，2厘米。照片来源：马里兰大学帕克分校的 Joshua D. Hubbard 和Kristen M. Edwards。( J）完成响应预编程实时超级马里奥兄弟视频游戏的第一关实验结果。标注包括控制器激活状态、游戏状态和使用控制器的软机械手图像，对应于演示时间点。照片来源：马里兰大学帕克分校的Joshua D. Hubbard、Ruben Acevedo 和Kristen M. Edwards。

研究结果表明，流体电路可以成为一种强大的手段来增强软机器人的自主性，进而减少和/或消除与传统流体控制方案相关的束缚，而3D打印也被证明能够实现在单次打印中制造具有完全集成流体电路的软机器人系统。同时，自动化PolyJet3D打印工艺可以在制造方面减少人为制造产生的误差。另外，3D打印技术的使用加深了研究人员对软机器人领域的探索，从而为跨学科背景的研究设计提供了一条新途径。

参考文献：Hubbard, J., Acevedo, R.,Edwards, K., Alsharhan, A., Wen, Z., Landry, J., Wang, K., Schaffer, S. and Sochol, R., 2021. Fully 3D-printed soft robots with integrated fluidiccircuitry. Science Advances, 7(29), p.eabe5257.

文献地址：https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257