3D打印人造肌肉實(shí)現(xiàn)新突破，可以輕松舉起自身重量的1000倍

2022年8月5日，南極熊獲悉，意大利理工學(xué)院（IIT）的研究人員，利用3D打印技術(shù)，開發(fā)了一種新的機(jī)械手，該團(tuán)隊(duì)宣稱，使用SLA 3D工藝制造的人工肌肉，更具備仿生能力。

△IIT研究人員的機(jī)械手，配有3D打印的GRACE執(zhí)行器

這個(gè)栩栩如生的肢體，由一系列可收縮和拉長(zhǎng)執(zhí)行器組成，或者可以稱它為 "GRACES "。這些執(zhí)行器由樹脂膜3D打印而成，可以像肌肉一樣拉伸和收縮。這些微小的執(zhí)行器僅重8克，可以舉起自身重量的1000倍，當(dāng)集成到一個(gè)機(jī)器人手時(shí)，它們具備人類手指一樣的功能，如彎曲、扭轉(zhuǎn)手掌和轉(zhuǎn)動(dòng)手腕的能力。

△可以在它們的研究結(jié)果，題目為《使用可收縮和拉長(zhǎng)的軟驅(qū)動(dòng)，3D打印仿生人造肌肉》的論文中查看更多內(nèi)容（點(diǎn)我傳送門）

基于3D打印的生物仿生技術(shù)
自然界充滿了對(duì)動(dòng)物和植物仿生學(xué)研究的例子，這對(duì)材料科學(xué)家和工程師來說仍然是一種啟發(fā)。為了在人工結(jié)構(gòu)和機(jī)器人中重現(xiàn)這些特性，研究人員經(jīng)常求助于3D打印，并在這樣做的過程中，完成了一些令人印象深刻的生物模仿。

△墨魚骨骼布局的SEM和顯微CT圖像

在浙江大學(xué)，科學(xué)家們根據(jù)墨魚的啟發(fā)，利用3D打印技術(shù)，模仿海洋生物獨(dú)特的能量吸收能力。事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)的早期模型具備超強(qiáng)的耐壓能力，以至于它們能夠承受高達(dá)其自身重量2萬倍的壓力。同樣，中國(guó)臺(tái)灣省科技大學(xué)的工程師們，已經(jīng)用FDM 3D打印了海膽殼狀格子，而不需要任何支撐材料。

在其他地方，在軟體機(jī)器人的生物模仿嘗試中，研究人員已經(jīng)部署了，能夠?qū)⒛芰亢碗娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器，以創(chuàng)造具有逼真動(dòng)作的機(jī)器人。而中國(guó)的科學(xué)家通過3D打印軟性機(jī)器人手指，向肢體生產(chǎn)邁進(jìn)。

通過有效地結(jié)合這些方法，IIT團(tuán)隊(duì)說，未來有可能3D打印出，足夠強(qiáng)大和靈活的軟執(zhí)行器，以有效地 "與自然和社會(huì)環(huán)境相結(jié)合"，應(yīng)用范圍從生物多樣性保護(hù)，再到老年人日常護(hù)理。因此，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們的機(jī)器人手原型，是朝著使這種設(shè)備更容易創(chuàng)造的方向邁出的第一步。

△從FEM模擬中，獲得的GRACE應(yīng)變分布結(jié)果

開發(fā)具有GRACE功能的機(jī)械手
根據(jù)IIT研究人員的說法，人工執(zhí)行器現(xiàn)已達(dá)到發(fā)展過程中一個(gè)重要的階段，它們能夠?qū)崿F(xiàn)與生物肌肉相同的收縮性能。然而，在他們的論文中，該團(tuán)隊(duì)補(bǔ)充說，以往的技術(shù)所面臨的問題，很難再現(xiàn)由人體內(nèi)部復(fù)雜的肌肉排列，所帶來的 "運(yùn)動(dòng)的多樣性和優(yōu)雅"。

為了解決這個(gè)問題，改團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了，由單一材料褶皺膜組成的GRACE人工肌肉，它們，從頭到尾都是利用數(shù)學(xué)模型來收縮和伸展。因此，執(zhí)行器能夠按照預(yù)期執(zhí)行，而無需集成應(yīng)變限制元素。

△Form 3L（左）和 Form 3（右）3D打印機(jī)

通過Formlabs Form 3D打印設(shè)備，使得研究人員，能夠?qū)Ⅰ薨櫦�成到設(shè)備的膜上，它們具備折疊和展開功能，同時(shí)，賦予了它們，能夠承受反復(fù)變形所需的靈活性和強(qiáng)度。在實(shí)踐中，該團(tuán)隊(duì)宣稱，這些3D打印手機(jī)經(jīng)過測(cè)試，可以舉起越來越重的物品，無論是單獨(dú)還是分組。

△該團(tuán)隊(duì)的光彈性測(cè)試裝置

事實(shí)證明，根據(jù)用于制造這些設(shè)備的材料的參數(shù)，它們能夠舉起比自身重幾個(gè)數(shù)量級(jí)的物體。在一個(gè)案例中，8克的GRACE原型模型，甚至能夠舉起8公斤的重量，這使得科學(xué)家們重新認(rèn)識(shí)到，它們可以作為仿真肌肉和身體部位的一種潛在手段。

為了測(cè)試這一理論，研究人員選擇連接18個(gè)不同大小的執(zhí)行器，來創(chuàng)建一個(gè)機(jī)器人手和手腕。通過對(duì)每個(gè)3D打印膜施加壓力，他們發(fā)現(xiàn)可以用類似人類的動(dòng)作，和效率來操作這只手。在成功測(cè)試了他們的方法后，該團(tuán)隊(duì)說，它證明了在單一生產(chǎn)步驟中，3D打印功能性肌肉的可能性。

"GRACE可以通過低成本的3D打印方式來制造，甚至可以直接在功能性設(shè)備中制造出來，比如，只需一步就能完成3D打印的氣動(dòng)假肢�！薄斑@使得基于氣動(dòng)人工肌肉的原型設(shè)計(jì)和制造更快、更直接。”