科学家开发对热感应的3D打印自动折叠软机器人

时间：2019-08-23 13:13 来源：中国3D打印网作者：中国3D打印网阅读：次

中国3D打印网8月23日讯，来自哈佛大学和加州理工学院的研究人员开发了折纸式软机器人系统，可根据需要采用特定任务的配置。制造的系统中有一个3D打印的“Rollbot”，它组装成五角形棱镜，并在对热刺激的程序化响应中自动滚动。另一种3D打印设备是自扭曲折纸多面体，具有三种稳定的配置。软机器人包含互连聚合物瓷砖的主动铰链。
根据Science Robotics发表的研究，这种装置可以为医学和工业工程中使用的被动控制，完全不受束缚的软机器人铺平道路。该论文的共同第一作者Connor McMahan解释说：“许多现有的软机器人需要连接到外部电源和控制系统，或者受到它们可以施加的力量的限制。这些主动铰链非常有用，因为它们允许软机器人在外接电源困难的环境中操作，并且能够提升比铰链重许多倍的物体。
柔软的机器人由高度灵活的材料制成，能够进行类似于生物的自然运动。这些材料依赖于外部电源和控制，使它们与车外系统连接或用硬组件装配。研究人员转而使用折纸创建多功能软机器人，因为顺序折叠可以在一个结构中编码多种形状和功能。为了对应于变化的机器人结构的小区域，集成了3D打印物体内的活性材料，包括液晶弹性体（LCE）。当受热时，LCE表现出大的可逆弯曲响应。使用这种材料，3D打印的两种类型的软铰链在不同的致动温度下折叠。
当加热到其各自的温度以上时，3D打印的LCE铰链以相应的角度改变形状。改变其化学和印刷结构，铰链的致动响应可以编程为按特定顺序折叠。McMahan说“使用我们的三维打印活动铰链方法，我们在温度响应时具有完全可编程性，可以使用铰链的扭矩，它们的弯曲角度和折叠方向。我们的制造方法便于将这些活性成分与其他材料整合在一起。“
自动滚动和自扭式Rollbots
将铰链集成到设计中，该团队使用增材制造方法构建了多个软件设备。 Rollbot以8厘米×4厘米的平板开始，并在约200℃的热表面上折叠成五角轮。嵌入轮子五个侧面的每一侧是另一组铰链。当与热表面接触时，铰链折叠并推动轮子转向下一侧，下一个铰链折叠。当它们从热表面滚落时，铰链展开并准备好进行下一个循环。

该团队设计的另一种装置是具有三种稳定配置的自扭曲折纸多面体。当放置在炎热的环境中时，机器人可折叠成类似于回形针的紧凑折叠形状，并在冷却时展开。这些不受束缚的结构可以被动控制。换句话说，通过简单地将结构暴露于特定的温度环境，机器人将根据铰链的编程方式做出响应。虽然这项研究只关注热刺激，但液晶弹性体也可以编程，以响应光，pH，湿度和其他外部刺激。

这项工作证明了建筑复合材料中反应性聚合物的组合如何能够引发对不同刺激的自我反应的材料。在未来，这些材料可以被编程为执行更复杂的任务，模糊材料和机器人之间的界限。

3D打印的软机器人演示了随着温度从环境温度增加到100°C（顶部铰链启动）到150°C（底部铰链启动）的顺序折叠。照片：哈佛大学

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