加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員已經(jīng)使用3D打印技術(shù)制造出柔軟靈活的行走“昆蟲般”機(jī)器人。制造機(jī)器人的預(yù)算增材制造技術(shù)可以降低3D打印軟機(jī)器人的入門成本，并為這種技術(shù)在人類不安全的地方開辟新的應(yīng)用。
據(jù)研究人員稱，制造昆蟲機(jī)器人的主要挑戰(zhàn)之一是重建復(fù)雜的外骨骼結(jié)構(gòu)力學(xué)。外殼需要提供多種功能，包括結(jié)構(gòu)支撐、關(guān)節(jié)靈活性和身體保護(hù)，同時(shí)提供感測(cè)、抓握和附著的功能性表面特征。
圣地亞哥的研究小組觀察到，昆蟲四肢的移動(dòng)性是由剛性、柔性和梯度剛度元素的排列決定的，而昆蟲的外骨骼是剛性和柔性機(jī)械部分的混合結(jié)構(gòu)。因此，未來的迭代需要一種混合構(gòu)造方法，以更好地反映它們所基于的昆蟲模型。
最近，機(jī)器人專家開始使用多材料3D打印、激光切割、層壓和壓鑄技術(shù)，將身體和四肢的適應(yīng)性納入機(jī)器人設(shè)計(jì)中。這些制造技術(shù)也有缺點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兺ǔＲ垣@得昂貴且耗時(shí)的制造工具為代價(jià)，這提供了有限的材料選擇。
為了使他們能夠以更具成本效益的方式打印柔性和彈性的外骨骼，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新穎的混合方法，稱為彈性骨骼打印。使用熔融沉積成型(FDM)3D打印機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)細(xì)絲材料(如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS))使這種方法更便宜，更易于使用。此外，新技術(shù)不同于傳統(tǒng)方法，而是通過在加熱的熱塑性薄膜上直接打印3D剛性細(xì)絲，制造出軟性機(jī)器人。該方法為沉積材料提供了靈活、牢固的基礎(chǔ)，并能精確控制機(jī)器人。體內(nèi)接頭和支柱的剛度和特性。
在標(biāo)準(zhǔn)的FDM印刷中，塑料細(xì)絲(例如ABS或聚乳酸(PLA))通過加熱噴嘴的孔擠出，并沉積在平坦的印刷表面上。另一方面，柔性骨架工藝使用改進(jìn)的Prusa i3 MK3S或LulzBot Taz 6 FDM 3D打印機(jī)直接在加熱的熱塑性基層上沉積細(xì)絲。這導(dǎo)致沉積材料和不可延伸的柔性基底之間的高粘合強(qiáng)度，從而提高耐疲勞性。柔性骨架印刷的粘合工藝也不需要額外的粘合劑或固化劑，因?yàn)殚L(zhǎng)絲在擠出過程中直接粘合到基層上。
為了測(cè)試生產(chǎn)的組件的強(qiáng)度和抗疲勞性，該團(tuán)隊(duì)制造了具有統(tǒng)一矩形幾何形狀的柔性梁。將每根梁彎曲到恒定應(yīng)力狀態(tài)，保持10秒，模擬機(jī)器人腿彎曲固定到位支撐負(fù)載的情況。然后，研究小組通過拍攝未加載梁的偏轉(zhuǎn)角度圖像來測(cè)量梁的蠕變角度，該圖像是在測(cè)試前從中性位置測(cè)量的。通過添加聚碳酸酯(PC)層，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以在300個(gè)工作周期內(nèi)將3D打印光束的蠕變變形減少70%。