EPFL 研究人員 3D 打印無機械關(guān)節(jié)的柔性設(shè)備，目標(biāo)是下一代軟執(zhí)行器和機器人

2024年4月22日，南極熊獲悉，來自EPFL的研究人員計劃使用基于彈性體的墨水來開發(fā)新一代軟執(zhí)行器和機器人，用于3D打印具有局部改變機械性能的物體，從而消除對復(fù)雜機械接頭的需要。

對于從事軟機器人或可穿戴設(shè)備工作的工程師來說，推進設(shè)備輕量化是一個持續(xù)的挑戰(zhàn)：較重的材料需要更多的能量來移動，并且對于可穿戴設(shè)備或假肢來說會引起不適。彈性體是合成聚合物，可以制造出具有從剛性到彈性的一系列機械性能的材料，這使得它們成為此類應(yīng)用的流行材料。但迄今為止，制造可成型為從剛性到橡膠的復(fù)雜 3D 結(jié)構(gòu)的彈性體仍然不可行。

EPFL 工程學(xué)院軟材料實驗室負(fù)責(zé)人Esther Amstad 說道：“彈性體通常是鑄造的，因此它們的成分在短長度范圍內(nèi)的所有三個維度上都不會改變。為了克服這個問題，我們開發(fā)了 DNGE：可 3D 打印的雙網(wǎng)絡(luò)顆粒彈性體，可以將其機械性能改變到前所未有的程度�！�

資料來源：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院

阿姆斯塔實驗室的博士生伊娃·鮑爾 (Eva Baur) 使用 DNGE 打印了一個原型“手指”——剛性的“骨頭”被靈活的“肉”包圍。手指被打印成以預(yù)先定義的方式變形——展示了該技術(shù)在制造足夠柔軟以彎曲和伸展的設(shè)備上的潛力，同時保持足夠堅固以操縱物體。

憑借這些優(yōu)勢，研究人員相信 DNGE 可以促進軟執(zhí)行器、傳感器和可穿戴設(shè)備的設(shè)計，而無需笨重的機械接頭。該研究以題為“3D Printing of Double Network Granular Elastomers with LocallyVarying Mechanical Properties”的論文被發(fā)表在《先進材料》雜志上。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313189

多功能性兩倍

DNGE 多功能性的關(guān)鍵在于設(shè)計兩個彈性體網(wǎng)絡(luò)。首先，彈性體微粒由水包油乳液滴產(chǎn)生。這些微粒被放置在前體溶液中，它們吸收彈性體化合物并膨脹。然后，溶脹的微粒被用來制造 3D 打印墨水，將其加載到生物打印機中以創(chuàng)建所需的結(jié)構(gòu)。前驅(qū)體在 3D 打印結(jié)構(gòu)內(nèi)聚合，形成第二個彈性體網(wǎng)絡(luò)，使整個物體變得堅硬。

資料來源：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院

第一個網(wǎng)絡(luò)的組成決定了結(jié)構(gòu)的剛度，而第二個網(wǎng)絡(luò)則決定了其斷裂韌性，這意味著兩個網(wǎng)絡(luò)可以獨立進行微調(diào)，以實現(xiàn)剛度、韌性和抗疲勞性的組合。與水凝膠（最先進的方法中使用的材料）相比，使用彈性體具有創(chuàng)建無水結(jié)構(gòu)的額外優(yōu)勢，使其隨著時間的推移更加穩(wěn)定。 DNGE 也可以使用市售 3D 打印機進行打印。

阿姆斯塔德說：“我們方法的優(yōu)點在于，任何擁有標(biāo)準(zhǔn)生物打印機的人都可以使用它。”

DNGE 的一個令人興奮的潛在應(yīng)用是用于運動引導(dǎo)康復(fù)設(shè)備，其中支持一個方向的運動同時限制另一個方向的運動的能力可能非常有用。 DNGE 技術(shù)的進一步發(fā)展可能會產(chǎn)生假肢，甚至是輔助外科醫(yī)生的運動指南。傳感遠(yuǎn)程運動，例如機器人輔助農(nóng)作物收割或水下探索，是另一個應(yīng)用領(lǐng)域。

Amstad 表示，軟材料實驗室已經(jīng)在致力于通過將響應(yīng)材料和電氣連接等活性元素集成到 DNGE 結(jié)構(gòu)中來開發(fā)此類應(yīng)用。