Рыба, рука и манжета для измерения давления. Почему мягких роботов лучше печатать гранулами?

Зачем нужны мягкие роботы?

Роботы из эластичных материалов, таких как силикон и резина, обладают повышенной гибкостью, адаптируемостью и безопасностью при работе с людьми. Они устойчивы к механическим воздействиям и, главное, могут изменять форму, что недоступно жестким конструкциям.

В зависимости от своего устройства мягкие роботы могут захватывать предметы, бегать, ползать, проникать в узкие щели и имитировать работу человеческих мышц.

Их используют в медицине, спасательных работах, создании носимых приложений и экзоскелетов, а также исследовании труднодоступных мест.

Проблемы производства

Изготовление мягких роботизированных систем остается серьезной проблемой. Традиционно используемая технология мягкой литографии включает трудоемкие этапы изготовления и сильно зависит от квалификации оператора.

Технологии 3D-печати, включая FDM, SLA и SLS, также имеют существенные ограничения. FDM остается популярным методом, но его возможности ограничены механическими свойствами нити.

Альтернатива: печать гранулами

Серьезные преимущества при 3D-печати роботов предлагает технология FGF, когда сырьем служат не нити, а гранулы, которые подаются на рабочую платформу принтера через шнековый экструдер. Это обеспечивает более высокую скорость экструзии и больший выбор материалов по сравнению с FDM. Кроме того, гранулы стоят дешевле нитей.

Гранульные принтеры могут печатать сверхмягкими материалами, достигающими максимально низких значений твердости по шкале Шора.

Почему 3D‑печать гранулами дешевле печати нитью? >>

Эксперименты с FGF-печатью

Исследователи из Университета Тафтса (США) провели ряд экспериментов для лучшего понимания, на что способна гранульная 3D-печать при изготовлении мягких роботизированных конструкций. Они использовали коммерчески доступный экструдер, стандартный 3D-принтер и гранулы TPS.

Ученые обновили FGF-принтер для повышения его надежности и производительности, в т.ч. перепроектировали бункер для гранул и напечатали его на SLA-принтере, чтобы получить гладкую поверхность;

С целью показать эффективность метода было напечатано три устройства: кисть руки, рыба и манжета для измерения давления.

Полностью мягкая роботизированная кисть

Каждый палец руки содержал три независимые встроенные пневматические камеры, соединенные внутренними каналами. Сжатый воздух приводил камеры в действие, что заставляло сегменты пальцев действовать согласованно.

Рука успешно захватывала предметы разной формы и веса — от футбольного и теннисного мяча до отвертки — и демонстрировала контроль силы.

Структура была напечатана монолитно. Постобработка и сборка не требовались. Тонкие наружные стенки и 50% гироидное заполнение обеспечили баланс между мягкостью и герметичностью.

Материал: гранулы TPS 22A.

Время печати: 20 часов 40 минут.

Рыба

Робот состоял из трех секций: голова, тело и хвост. Можно было печатать его либо частями с последующей сборкой, либо как монолитную структуру с поддерживающим материалом.

Дизайн был разработан для демонстрации возможности печати высоких, геометрически сложных структур с протяженными мостами и нависаниями. Такие особенности остаются труднодостижимыми для печати мягких моделей нитью.

Во время подводных испытаний рыба оставалась герметичной, что подтвердило пригодность FGF-печати для производства подводной робототехники.

Материал: TPS 22A.

Время печати: 17 часов 9 минут.

Манжета для измерения давления

Исследователи продемонстрировали изготовление носимых пневматических устройств путем 3D-печати мягкой компрессионной манжеты со встроенными надувными камерами.

Дизайн включал однослойную тонкую внутреннюю стенку и более толстую наружную стенку. Взаимосвязанные камеры обеспечивали равномерную подачу давления.

Манжета показала эффективность, сравнимую с коммерческими аналогами, что указывает на потенциал ее применения в медицинских устройствах.

Материал: TPS 50A.

Время печати: манжета была напечатана монолитно за 9 часов 26 минут.

Ограничения

Хотя FGF имеет ряд преимуществ перед FDM, печать высококачественных мягких моделей остается сложной задачей.

Две основные причины дефектов — нестабильная экструзия и подтекание. Преодоление этих проблем требует скоординированной стратегии, включающей модификацию оборудования, тщательный выбор материала и оптимизацию параметров процесса.

Также пока остаются неизученными возможности многих доступных термопластичных гранул, включая токопроводящие и биоразлагаемые.