研究

科学家3D打印新的软执行器作为水母启发机器人的基础

来自日本人的研究人员Yamagata University.开发了一个完全3D印刷执行器,可以构成像水母状软机器人的基础。

通过使用基于uv的3D打印机,该团队能够将一种新合成的粒子双网络(P-DN)水凝胶固化成一种收缩机制,其收缩方式与月水母的肌肉类似。在他们的新设备的基础上,科学家们现在打算创造一个完整的水生机器人,潜在的海洋野生动物监测应用。

一群月亮水母。
科学家发现,他们的执行器以类似的方式与月亮水母的肌肉相加。照片通过Kiara Sztankovics,undleash。

水生机床的生态福利

开发能够模仿有机同类行为的软机器人的好处,加起来不仅仅是新奇的价值。先进的设备有可能与人类一起工作,进入我们无法进入的领域,比如灾难管理、海洋保护,甚至医疗保健领域。

这样的机器人在水下有着特殊的前景,它们可以收集更多关于海洋的信息,并帮助推进联合国的可持续发展目标(SDGs)。实现这一目标的最好方法之一是创造模仿自然动物运动的软材料,但到目前为止,3D打印章鱼机器人的身体都是金属的,这可能会损害海洋生物。

虽然许多现有机器人由硅胶弹性体制成的“腿”供电,但水凝胶提供了较少侵入性的替代方案,因为它们已经由大约90%的水组成。该组合物也类似于水母天然所看到的,这需要比其他水生生物的能量更少,可能使它们成为海洋友好监测机器人的理想基础。

日本科学家使用UV 3D打印机来制作五个凝胶执行器原型。通过ECS Councience的固态科学和技术杂志。

构建新型执行器

在Yamagata团队开始3D打印致动器之前,它们合成了一种新的交联的P-DN水凝胶,由硬质和脆的第一聚合物和更柔软的第二层组成。该材料的特征在于高水含量比,增强的强度和优异的印刷性,为其装置形成固体且韧性。

一旦制定准备就绪,科学家们使用基于UV的3D打印机将其聚合成三个单独的部件:连接器,底座和盒子。从理论上讲,“基础”和“盒子”设计为通过注入空气而变形,从而产生提供推进所需的收缩,而“连接器”仅将硅酮管固定到致动器的主体。

为了测试目的,Team 3D印刷五种不同的原型,发现凝胶的弹性与所用的单体类型严重挂钩,并且实现的交联水平。类似地,致动器用层宽度为0.4-0.5mm,因为较厚的层表现出肿胀,导致部分不一致。

在压缩测试期间,其中通过管道喷射到致动器中,科学家发现它们能够通过调节其构成部分的弹性模量来控制其变形。该器件还表现出与扁平月水母相同的收缩率,可能使其成为一个完整的机器人复制品的理想依据。

在未来,研究人员认为,完善的墙壁厚度与其轨迹之间的关系,将成为开发改进的设备迭代的关键。但是,山形球队旨在将他们的执行器融入新的水母受启发的机器人,最终目标是在海洋保护应用中使用它。

动物启发的软机器人

虽然用于环境监测目的的3D印刷机器人是一个相当高贵的努力,但绝不是一个新颖的,最近已经开发了几个类似的机器人。

科学家们佛罗里达大西洋大学(恤)和美国海军研究办公室3D印刷软机器人水母这能够监控脆弱的珊瑚礁。该装置由八个液压执行器组成,该致动器专门设计不造成脆弱的生物生态系统损坏。

在类似的静脉中,一个基于团队的团队哈佛大学已经创造了'Octobot'3D印刷自动软机器人。像Yamagata团队的执行器一样,Octobot是一种基于气动的,但它不是使用它将少量液体燃料转变为气体,而是像气球一样膨胀。

软机器人还具有显着的土地监测应用,以及工程师佐治亚理工学院创造了一个3D印刷'斯洛赫特',照顾野生动物亚特兰大植物园。该装置沿着树木之间的电缆移动,观察温度,天气和CO2下面栖息地的水平。

研究人员的调查结果在题为“适用于水母软机器人的全3D印刷水凝胶执行器。“该研究由Yuki Takishima,Kazunari Yoshida,Ajit Khosla,Masaru Kawakami和Hidemitsu Furukawa共同撰写。

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特色图片显示一组月亮水母。照片通过Kiara Sztankovics,undleash。

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