最近，研究人员开发了用于微型软机器人执行器的高分辨率3D打印的工艺流程。软机器人是一类由符合标准的材料制成的机器人系统，能够安全地适应复杂的环境。他们最近看到了快速增长，并且有各种各样的设计，涵盖从米到亚米的多种长度尺度。

特别是，毫米级的小型软机器人更具有实际意义，因为它们可以设计为仅由气动压力驱动的微型致动器的组合，它们也非常适合在狭窄区域中导航和操纵小物体。

然而，将软气动机器人缩小到毫米会导致更精细的特征减少一个数量级以上。这种机器人的设计复杂性在用传统工艺（例如模塑和软光刻）制造时需要非常精细。虽然数字光处理（DLP）等新兴的3D打印技术具有很高的理论分辨率，但处理微尺度空隙和通道而不会造成堵塞仍然具有挑战性。因此实际上，3D打印微型软气动机器人的成功例子很少见。


加州大学圣地亚哥分校的机器人研究人员首次使用商用3D打印机将复杂的传感器嵌入机器人肢体和夹具中。但他们发现，在机器人完全正常运行之前，仍然需要改进商业上可用于3D打印的材料。

专门研究3D打印的研究人员长期以来一直试图在一台打印机上制造一个完整的机器人，这台打印机能够在完成后将自己从打印机中移开。这样可以更轻松地更快地打印更多机器人。它还可以使没有人工监督的3D打印机器人成为可能，例如在月球或火星上。

实现这一目标的主要障碍之一是为软机器人开发有效的传感器。这是因为柔软，灵活的机器人通常具有复杂的表面和运动，难以装备和覆盖传统制造技术制造的传感器。这些类型的机器人比刚性表兄弟更灵活，可以安全地与人类并肩工作。

加州大学圣地亚哥分校的研究人员的见解是双重的。他们转向商用打印机（Stratasys Objet350 Connex3 - 许多机器人实验室的主力）。此外，他们意识到3-D打印机使用的材料之一是由碳颗粒制成，当连接到电源时可以为传感器供电。因此，机器人专家使用黑色树脂制造嵌入由透明聚合物制成的机器人部件中的复杂传感器。他们设计并制造了几个原型，包括一个夹子。


这款夹具采用商用多材料3D打印机制造，可将致动器和传感器一起打印。
图片来源：David Baillot /加州大学圣地亚哥分校

当拉伸时，传感器在与人体皮肤大致相同的应变下失效。但是3D打印机使用的聚合物并非设计用于导电，因此它们的性能不是最佳的。3D打印机器人在功能实现之前还需要进行大量的后处理，包括仔细清洗以清除杂质和干燥。

然而，研究人员仍然乐观地认为，在未来，材料将得到改善，并使配备嵌入式传感器的3D打印机器人更容易制造。

“传感器的嵌入式打印是一个强大的过程，可以实现和增强传感器与软机器人的无缝集成，但目前还没有一个合适的，商用的，易于使用的平台，允许用户同时打印软驱动器和传感器，”研究人员写道

最近，新加坡和中国的研究人员，即新加坡科技设计大学（SUTD），南方科技大学（SUSTech）和浙江大学（ZJU），提出了一个指导DLP 3-D打印的通用工艺流程。用于软机器人的微型气动执行器，总体尺寸为2-15 mm，特征尺寸为150-350μm。他们的研究成果发表在Advanced Materials Technologies上。



“我们利用DLP 3-D打印的高效率和分辨率来制造微型软机器人执行器，”研究项目首席研究员SUSTech副教授齐（Kevin）Ge说。“为了确保印刷产品的可靠印刷保真度和机械性能，我们引入了一种新的范例，用于系统和有效地定制材料配方和关键加工参数。”

在DLP 3-D印刷中，通常将光吸收剂添加到聚合物溶液中以增强横向和垂直方向上的印刷分辨率。同时，过度增加剂量会导致材料弹性迅速降低，这对软机器人维持大变形至关重要。

“为了实现合理的权衡，我们首先选择了一种在投射紫外光波长下具有良好吸光度的光吸收剂，并根据机械性能测试确定了合适的材料配方。接下来，我们将固化深度和XY保真度表征为确定曝光时间和切片层厚度的合适组合，“来自SUTD的共同第一作者张元芳解释说。

“通过遵循这一工艺流程，我们能够在自建的多材料3D打印系统上生产各种具有各种结构和变形模式的微型软气动机器人执行器，均小于一枚新加坡币硬币。该方法应该与商业立体光刻（SLA）或DLP 3-D打印机兼容，因为不需要进行硬件修改，“相应的作者，SUSTech的Qi Ge教授说。

为了举例说明潜在的应用，研究人员还设计了一种柔软的碎屑清除器，包括一个连续操纵器和一个3D打印的微型软气动夹具。它可以在狭窄的空间中导航，并在难以到达的位置收集小物体。

所提出的方法为具有复杂几何形状和复杂多材料设计的3D 打印微型软机器人铺平了道路。将印刷微型软气动执行器集成到机器人系统中为潜在应用提供了机会，例如喷气发动机维护和微创手术。