供稿人：孟子捷、賀健康 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-11-06
機(jī)器人技術(shù)有望支持醫(yī)療保健和康復(fù)服務(wù)，或增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)交互。然而，現(xiàn)實(shí)中動(dòng)態(tài)環(huán)境通常需要廣泛的機(jī)器人控制算法、傳感器和反饋回路，以實(shí)現(xiàn)與人的安全交互。由軟材料制成的機(jī)器人通過其自適應(yīng)的軟結(jié)構(gòu)緩解了這些挑戰(zhàn)。然而，由于沒有任何傳感器反饋，軟體機(jī)器人仍然依賴于操作員的觀察和干預(yù)。快速發(fā)展的新技術(shù)也導(dǎo)致了科技廢物數(shù)量的增加，由于軟材料的壽命有限，或部署的機(jī)器人無法回收等問題，軟體機(jī)器人需要提高其可持續(xù)性。
針對上述問題，約翰內(nèi)斯開普勒大學(xué)林茨理工學(xué)院軟材料實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了利用可降解材料、集成傳感器網(wǎng)絡(luò)的3D打印柔性致動(dòng)器的設(shè)計(jì)和制造策略。使用熔融沉積成形打印了有彈性但完全可降解的生物凝膠，最小特征尺寸為0.6 mm，長徑比超過3(高寬比)。打印的生物凝膠可拉伸超過500%的應(yīng)變，并可重復(fù)使用。打印的柔性氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器，能夠?qū)崿F(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)，最大彎曲角度達(dá)74°。
復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)對于所有形式的運(yùn)動(dòng)都是必不可少的，研究人員進(jìn)一步將基于可拉伸波導(dǎo)的光學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)與軟體機(jī)器人致動(dòng)器結(jié)合起來（圖1A）。這種組合使集成高精度的曲率、方向和力傳感的致動(dòng)器成為可能。研究人員展示了機(jī)器人的能力，通過使用其傳感特征來檢測和清除障礙，實(shí)現(xiàn)了搜索和清除程序(圖1B)。與此同時(shí)，打印的生物凝膠可以輕松重復(fù)使用或處理，而無需考慮環(huán)境問題 (圖1C)。
圖 1可降解的3D打印的集成波導(dǎo)傳感器的柔性致動(dòng)器。(A)波導(dǎo)傳感器集成在致動(dòng)器上，并在頂部交叉，以感知彎曲狀態(tài)和觸摸輸入。(B)三腔氣動(dòng)\纖維增強(qiáng)\集成光學(xué)傳感器的柔性致動(dòng)器，傳感器檢測致動(dòng)器路徑中的障礙物，并移除物體。(C)浸泡在水中時(shí)，明膠致動(dòng)器和波導(dǎo)膨脹溶解，可以實(shí)現(xiàn)完全的生物降解。
研究者實(shí)現(xiàn)了一種搜索-清除程序，以消除驅(qū)動(dòng)器附近的障礙(圖2)。該程序從致動(dòng)器尖端沿其中心環(huán)形運(yùn)動(dòng)。在此初始校準(zhǔn)后，記錄各自的強(qiáng)度變化，致動(dòng)器搜索其附近的障礙。在循環(huán)搜索路徑上，尋找與最初記錄的強(qiáng)度值的偏差。通過這種方式，致動(dòng)器感知其路徑內(nèi)障礙物的接觸事件。一旦檢測到，搜索程序停止，壓力從所有腔室釋放。最后，以最大的壓力向檢測到的障礙物方向驅(qū)動(dòng)，隨后將障礙物推開。
圖 2 柔性致動(dòng)器的自動(dòng)搜索-清除程序。(A到C)致動(dòng)器執(zhí)行圓周運(yùn)動(dòng)，直到它檢測到撞擊障礙物時(shí)意外的強(qiáng)度下降。(D至F)檢測后，從障礙物的起始位置開始，向障礙物方向施加最大壓力，將障礙物清除。
盡管該致動(dòng)器成功實(shí)施了搜索-清除任務(wù)，該器件依然有需要改進(jìn)的地方。例如，在致動(dòng)器體旁邊的空間分辨率是有限的；當(dāng)多個(gè)事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，無法區(qū)分不同的輸入信號；根據(jù)不同的區(qū)域，區(qū)分不同的刺激(如彎曲和觸摸)仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。在未來，不同波長或光調(diào)制的分布式光纖網(wǎng)絡(luò)可以幫助克服這些限制。機(jī)器學(xué)習(xí)算法將幫助解釋多種信號，以更好地區(qū)分多種變形，從而增強(qiáng)該機(jī)器人設(shè)計(jì)的通用性。此外，增加該致動(dòng)器復(fù)雜性還需要更先進(jìn)的致動(dòng)器形狀和多材料的組合。到目前為止，粘度和冷卻時(shí)間阻礙了懸垂特征或腔體的打印。與多材料打印相結(jié)合，開發(fā)合適的可生物降解支撐材料將解決這些問題。