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我国研究人员设计了3D打印仿生软机器人和机械手

时间:2020-01-20 11:08 来源:中国3D打印网 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃
        中国3D打印网1月20日讯,来自中国的研究人员在最近发布的“用于仿生应用的3D打印形状可编程磁活性软物质”中,探索了一种高性能材料的开发,该材料可以根据特定应用从一种形状迅速转变为另一种形状。
       材料科学家在今天的许多研究和随之而来的创新中继续受到大自然的启发,随着3D打印变形为具有变形然后返回其原始形状的4D打印,数字制造本身也在继续扩展。这些材料中的大多数以及随之而来的变形是由环境中的外力(例如温度或湿度)驱动的,并且可以用作诸如医学,机器人技术等应用的复杂几何形状。在这项研究中,作者检查了磁场控制和磁活性软材料(MASM)的使用,因为它们为软传感器和执行器提供了潜力。先前的研究已经通过3D磁性打印完成,导致了两种均带有磁铁的各向异性复合材料的制造。
MASM的形状编程策略和制造过程
MASM的形状编程策略和制造过程。 (a)形状编程策略流程图和模仿尺inch的编程实例。变形由COMSOL模拟,UMF的方向由红色箭头指示。 (b)3D打印和封装的示意图。 3D打印用于制造各种磁性结构元件,这些元件被硅橡胶封装。 (c)具有定向磁性结构元素的MASM样品的照片。圆盘样本的半径为10毫米。 (要解释此图例中对颜色的引用,请参阅本文的Web版本。)
      借助新的“形状编程策略”,本研究的目标是创建稳定的形状,这些形状可以快速转换并可以编程。研究团队将3D打印的优势付诸实践:“凭借3D打印的优势,这种制造方法使具有任何形状,分布和方向的磁性结构元件都能产生各向异性的磁化曲线。这种方法使我们能够在软矩阵中编程磁矩,从而实现MASM所需的致动能力。对形状可编程MASM的变形特性进行了综合研究,并提出了相关的物理机制。凭借这些出色的功能,可以在均匀磁场(UMF)下轻松地通过行走,游泳和抓取功能轻松制造各种仿生结构。这种提议的方法可以弥补现有编程方法的不足,并开辟新的途径来充分利用MASM的潜力。”
MASM带材的变形机制和变形性能

  MASM带材的变形机制和变形性能。 (a)由COMSOL评估的定向磁性结构元件的有限元分析。施加的UMF的强度为300 mT,方向由红色箭头指示。磁通密度由颜色图例指示,麦克斯韦表面应力张量的方向和大小由红色箭头的方向和对数大小指示。 (b)磁丝和CIP的磁化曲线(每单位质量的磁矩)。插入的照片是CIP和磁丝的SEM图像,比例尺分别为2μm和0.5 mm。 (c)在0、100和200 mT下MASM条的弯曲变形照片,比例尺为5 mm。在这种情况下,长度为1.5mm,宽度为0.3mm,厚度为4mm的磁性结构元件具有SR的分布。 (d)在增加和减少磁通密度的情况下,MASM条带的弯曲变形曲线,该曲线由电磁铁中的电流控制。变形通过MASM条带中心点的位移进行评估。测试原理图如图S1e所示。 (e)在瞬变磁场下对MASM钢带变形性能的循环测试。每个周期的时间为1.5 s,其中包括磁场的瞬时增加和减少。如图S1f所示,基于由线性电动机控制的永磁体的运动产生瞬态磁场。 (f)弯曲变形和瞬态磁场的单周期曲线。响应和复位时间已标记。

    将PLA以6:1的体积比与羰基铁颗粒(CIP)混合,机械混合30分钟,然后添加到FDM 3D打印机的挤出机中。“在这里,应该注意的是,印刷磁性结构元件只是设计磁矩的一种方法。调节磁矩还可以取决于粒子的分布和磁畴。然而,在3D打印中,由于PLA颗粒的均匀分散,磁性结构具有各向同性的铁磁特性。该团队使用3D打印的样品具有各种不同的取向磁性结构元素,证实了这些差异确实影响了MASM的机械性能。
      最终,研究人员能够创造出一系列受自然界启发的仿生结构,像虫一样柔软的抓握装置。人造样品还受到蛇和软体动物等动物的启发,MASM形式能够模仿它们的结构和运动。但是,磁化强度取决于相邻磁性结构元素的分布和方向,这意味着必须考虑整体磁性才能达到要求的效率。
二维形状变化下的各种形状可编程MASM
  二维形状变化下的各种形状可编程MASM
用于仿生的磁场。 (a)蛇,海星和脆星的照片。 (b)通过COMSOL对编程形状进行有限元模拟。磁通密度由颜色指示。 (c)在施加磁场的作用下,MASM的二维形状变化。水平UMF的强度为200 mT,方向由箭头指示。对于不同的编程形状,长度为1.5毫米,宽度为0.3毫米,厚度为4毫米的磁性结构元件在SR中具有不同的分布。所有刻度尺均为10毫米。
 基于形状可编程MASM的软机器人和执行器的设计
     基于形状可编程MASM的软机器人和执行器的设计。 (a)锯齿状软机器人在锯齿板上的行走运动。机器人的弯曲由UMF驱动,并通过重力和弹力的耦合来恢复。白色比例尺为10毫米。 (b)在水下游泳类似蝠ta的软机器人。游泳机器人的摆动也由UMF驱动。白色比例尺为10毫米。 (c)抓住并松开软爪。夹持动作由UMF驱动,圆柱物体的重量为15.3 g。白色比例尺为20毫米。在这些情况下,UMF的强度为300 mT,方向如箭头所示。
      样品结构“成功地制作完成”,在运动,游泳和抓握等运动中具有潜在的功能。他们还展示了所需的机械特性,以及形状变化的稳定性和准确性,从而确保了执行器和软机器人创新的未来设计所需的性能。考虑到低密度,“出色的灵活性”和适合执行的特性,团队继续推进其项目,制造出了软机器人和执行器。
     中国3D打印网点评:这项工作仅使用均匀磁场(UMF),但是通过使用梯度磁场也可以生成更复杂的行为。这充分利用MASM的潜力开辟了新途径,使研究人员能够开发广泛的软执行器,这些软执行器对软机器人,医疗保健和仿生学应用至关重要。科学家一直具有受自然启发,这在3D打印的发展中起着令人着迷的作用,因为仿生生物一直是新型假肢,创新的建筑结构,无人机技术等背后的力量。

     中国3D打印网原创文章!

(责任编辑:中国3D打印网)

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