供稿人：雷沁霖、高琳 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：2024-07-20
隨著3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展，軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域正在經(jīng)歷前所未有的革新。軟體機(jī)器人以其獨(dú)特的柔韌性、適應(yīng)性和與生俱來的安全特性，正逐步滲透到醫(yī)療、探索、制造及人機(jī)交互等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。然而，實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的高效驅(qū)動(dòng)和精確控制一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于介電彈性體換能器（DET）這類至關(guān)重要的驅(qū)動(dòng)組件。近期，一項(xiàng)由Danner等人主導(dǎo)的研究在《先進(jìn)功能材料》雜志上發(fā)表，介紹了一種基于多材料3D打印技術(shù)，使用專為高介電常數(shù)設(shè)計(jì)的硅氧烷墨水制造DET的新方法，為軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造帶來了突破性的進(jìn)展。
軟體機(jī)器人技術(shù)的核心在于開發(fā)能夠模擬生物體柔軟度和適應(yīng)性的材料與驅(qū)動(dòng)機(jī)制。介電彈性體(DE)作為軟體機(jī)器人領(lǐng)域的一類重要材料，其原理是通過外加電場誘導(dǎo)材料形變來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，但傳統(tǒng)DET材料的高粘度和低屈服應(yīng)力給3D打印帶來了挑戰(zhàn)。盡管已有針對(duì)直接墨水書寫(DIW)優(yōu)化的DET油墨，但這些油墨往往導(dǎo)致彈性體硬度增加和機(jī)械損失增大，影響了DET驅(qū)動(dòng)器的性能。因此，尋找既能滿足打印要求又能保持良好電驅(qū)動(dòng)性能的材料配方成為迫切需求。
為了解決這一問題，來自瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Empa）的Danner等研究人員借鑒了毛細(xì)管懸浮液的概念，設(shè)計(jì)了一種全新的DIW DET油墨。該油墨由兩種不相溶的硅氧烷液體和填料混合而成，形成了一個(gè)獨(dú)特的毛細(xì)管懸浮液體系。這種體系使得油墨的流變學(xué)性質(zhì)（即流動(dòng)和變形特性）能夠獨(dú)立于彈性體的機(jī)電性能進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而打破了加工性能與最終應(yīng)用性能之間的相互制約關(guān)系。通過精確控制填料和次要液體的含量，研究團(tuán)隊(duì)能夠優(yōu)化打印過程的可加工性，同時(shí)保持或增強(qiáng)彈性體的性能。
研究中特別指出，將極性硅氧烷作為次要液體融入墨水中，所得到的打印彈性體的介電常數(shù)較之商用聚二甲基硅氧烷提高了四倍之多。這意味著，使用這種新型墨水打印出的器件能在較低電壓下實(shí)現(xiàn)有效驅(qū)動(dòng)，大大降低了驅(qū)動(dòng)所需能耗，同時(shí)拓寬了軟體機(jī)器人的應(yīng)用范圍。通過多層次的DET設(shè)備打印與表征，證實(shí)了這種不相溶的毛細(xì)管懸浮液不僅改善了油墨的可加工性，還顯著增強(qiáng)了彈性體的性能。
該研究的另一亮點(diǎn)是成功展示了多材料3D打印技術(shù)在制造分層DET器件上的應(yīng)用。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，為軟體機(jī)器人的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能集成開辟了新天地。通過精確控制不同材料墨水的沉積，研究人員能夠在一個(gè)單一的軟體機(jī)器人組件中整合多種功能，如驅(qū)動(dòng)、傳感乃至能量存儲(chǔ)，進(jìn)一步提升了軟體機(jī)器人的智能化和多功能性。
為了確保新材料的性能和可靠性，研究團(tuán)隊(duì)采用了多項(xiàng)先進(jìn)的表征技術(shù)。例如，使用熱重分析(TGA)測量材料的熱穩(wěn)定性，以及掃描電子顯微鏡(SEM)觀察打印結(jié)構(gòu)的微觀形態(tài)。這些表征結(jié)果不僅驗(yàn)證了新墨水的化學(xué)穩(wěn)定性和物理結(jié)構(gòu)完整性，也為后續(xù)的性能優(yōu)化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
Danner及其同事開發(fā)的基于毛細(xì)管懸浮液的高介電常數(shù)硅氧烷墨水，不僅克服了3D打印軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)組件的加工難題，還顯著提高了器件的性能，使軟體機(jī)器人能夠以更低的操作電壓實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)，預(yù)示著軟體機(jī)器人領(lǐng)域?qū)⒛軌虺浞掷肈ET的全部潛力，為未來的軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)提供無限可能。未來的研究方向可能包括進(jìn)一步優(yōu)化墨水配方、探索更多種類的極性硅氧烷以及開發(fā)更高效的多材料打印策略，以推動(dòng)軟體機(jī)器人技術(shù)向更加智能、高效和實(shí)用的方向發(fā)展。
圖1從合成到3D打印疊層介電彈性體致動(dòng)器的過程