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

3D打印资讯
2022
08/05
14:38
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2022年8月5日,南极熊获悉,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。

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△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。

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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。

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△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。

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△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,改团队设计出了,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。

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△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。

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△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。”




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