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3D資訊
首頁(yè) > 資訊中心山東青島3D打印機(jī)器人手足重量1000倍的負(fù)重
發(fā)布時(shí)間：2022-08-14
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用 SLA 3D打印的人造肌肉以類似人類的效率抓取物體。
栩栩如生的肢體由一系列基于 GeometRy 的執(zhí)行器提供動(dòng)力，這些執(zhí)行器可以收縮和拉長(zhǎng)或“GRACES”，由樹(shù)脂膜3D打印，使它們能夠像肌肉一樣伸展和收縮。這些微型致動(dòng)器僅重 8 克，可舉起高達(dá)自身重量 1000 倍的重量，當(dāng)集成到機(jī)器人手中時(shí)，它們已顯示出彎曲手指、扭轉(zhuǎn)手掌和轉(zhuǎn)動(dòng)手腕的能力。
IIT 研究人員的機(jī)器人配備了3D打印的 GRACE 執(zhí)行器
基于3D打印的生物模擬
自然界充滿了動(dòng)植物進(jìn)化出具有理想強(qiáng)度、重量和耐久性品質(zhì)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的例子，這些例子繼續(xù)為材料科學(xué)家和工程師提供靈感。為了在人造結(jié)構(gòu)和機(jī)器人技術(shù)中重現(xiàn)這些特性，研究人員經(jīng)常轉(zhuǎn)向3D打印，并在這樣做的過(guò)程中完成了一些令人印象深刻的仿生學(xué)。
在浙江大學(xué)，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出了一種以墨魚(yú)為靈感的3D打印結(jié)構(gòu)，模仿了這種海洋生物獨(dú)特的能量吸收能力。事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)的早期模型非常抗壓縮，它們能夠承受重量高達(dá)自身20000倍的變形。同樣地，國(guó)立臺(tái)灣科技大學(xué)的工程師們用FDM 3D打印出了海膽殼形狀的格子，不需要任何支撐材料。
在其他地方，在模擬生物的軟機(jī)器人嘗試中，研究人員部署了能夠?qū)⒛芰亢碗娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，從而創(chuàng)造出具有逼真運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。日本山形大學(xué)的一個(gè)研究小組提出了一種完全3D打印的軟驅(qū)動(dòng)器作為水母機(jī)器人的基礎(chǔ)，而中國(guó)的科學(xué)家們已經(jīng)轉(zhuǎn)向通過(guò)3D打印軟機(jī)器人手指來(lái)生產(chǎn)肢體。
印度理工學(xué)院的研究小組表示，通過(guò)有效地結(jié)合這些方法，3D打印出足夠強(qiáng)大和靈活的軟驅(qū)動(dòng)器，可以有效地“與自然和社會(huì)環(huán)境相結(jié)合”，應(yīng)用范圍從生物多樣性保護(hù)到老年護(hù)理。因此，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為他們的機(jī)械手原型是使這種設(shè)備更容易制造的第一步。
從 FEM 模擬中獲得的 GRACE 應(yīng)變分布結(jié)果
開(kāi)發(fā) GRACE-ful 機(jī)械手
根據(jù) IIT 研究人員的說(shuō)法，人工致動(dòng)器現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了他們能夠?qū)崿F(xiàn)與生物肌肉相同的收縮性能的發(fā)展階段。然而，在他們的論文中，該團(tuán)隊(duì)補(bǔ)充說(shuō)，通過(guò)人體內(nèi)部肌肉的復(fù)雜排列來(lái)重現(xiàn)“運(yùn)動(dòng)的多功能性和優(yōu)雅性”仍然非常困難。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們基本上開(kāi)發(fā)了人造肌肉。這些 GRACE 由單一材料的褶皺膜組成，使用數(shù)學(xué)模型從頭開(kāi)始構(gòu)建以收縮和擴(kuò)展。結(jié)果，致動(dòng)器能夠在不集成應(yīng)變限制元件的情況下按預(yù)期執(zhí)行。
團(tuán)隊(duì)的光彈性測(cè)試裝置
事實(shí)證明，根據(jù)制造設(shè)備所用材料的參數(shù)，它們能夠舉起比自身重幾個(gè)數(shù)量級(jí)的物體。在一個(gè)案例中，一個(gè) 8 克的原型 GRACE 甚至可以舉起 8 公斤的重量，這讓科學(xué)家們考慮將它們作為一種模仿真實(shí)肌肉和身體部位的手段的潛力。
為了測(cè)試這一理論，研究人員選擇連接 18 個(gè)不同尺寸的執(zhí)行器來(lái)創(chuàng)建機(jī)器人手和手腕。通過(guò)對(duì)每個(gè)3D打印薄膜施加壓力，他們發(fā)現(xiàn)可以以類似人類的動(dòng)作和效率來(lái)操作手。在成功測(cè)試了他們的方法后，該團(tuán)隊(duì)表示，它證明了在一個(gè)生產(chǎn)步驟中3D打印功能性肌肉是可能的。
該團(tuán)隊(duì)在論文中總結(jié)道：“GRACE 可以通過(guò)低成本的增材制造制造，甚至可以直接構(gòu)建在功能性設(shè)備中，例如一次性完全3D打印的氣動(dòng)人工手。” “這使得基于氣動(dòng)人工肌肉的設(shè)備的原型設(shè)計(jì)和制造更快、更直接。”
栩栩如生的肢體由一系列基于 GeometRy 的執(zhí)行器提供動(dòng)力，這些執(zhí)行器可以收縮和拉長(zhǎng)或“GRACES”，由樹(shù)脂膜3D打印，使它們能夠像肌肉一樣伸展和收縮。這些微型致動(dòng)器僅重 8 克，可舉起高達(dá)自身重量 1000 倍的重量，當(dāng)集成到機(jī)器人手中時(shí)，它們已顯示出彎曲手指、扭轉(zhuǎn)手掌和轉(zhuǎn)動(dòng)手腕的能力。
IIT 研究人員的機(jī)器人配備了3D打印的 GRACE 執(zhí)行器
基于3D打印的生物模擬
自然界充滿了動(dòng)植物進(jìn)化出具有理想強(qiáng)度、重量和耐久性品質(zhì)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的例子，這些例子繼續(xù)為材料科學(xué)家和工程師提供靈感。為了在人造結(jié)構(gòu)和機(jī)器人技術(shù)中重現(xiàn)這些特性，研究人員經(jīng)常轉(zhuǎn)向3D打印，并在這樣做的過(guò)程中完成了一些令人印象深刻的仿生學(xué)。
在浙江大學(xué)，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出了一種以墨魚(yú)為靈感的3D打印結(jié)構(gòu)，模仿了這種海洋生物獨(dú)特的能量吸收能力。事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)的早期模型非常抗壓縮，它們能夠承受重量高達(dá)自身20000倍的變形。同樣地，國(guó)立臺(tái)灣科技大學(xué)的工程師們用FDM 3D打印出了海膽殼形狀的格子，不需要任何支撐材料。
在其他地方，在模擬生物的軟機(jī)器人嘗試中，研究人員部署了能夠?qū)⒛芰亢碗娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，從而創(chuàng)造出具有逼真運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。日本山形大學(xué)的一個(gè)研究小組提出了一種完全3D打印的軟驅(qū)動(dòng)器作為水母機(jī)器人的基礎(chǔ)，而中國(guó)的科學(xué)家們已經(jīng)轉(zhuǎn)向通過(guò)3D打印軟機(jī)器人手指來(lái)生產(chǎn)肢體。
印度理工學(xué)院的研究小組表示，通過(guò)有效地結(jié)合這些方法，3D打印出足夠強(qiáng)大和靈活的軟驅(qū)動(dòng)器，可以有效地“與自然和社會(huì)環(huán)境相結(jié)合”，應(yīng)用范圍從生物多樣性保護(hù)到老年護(hù)理。因此，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為他們的機(jī)械手原型是使這種設(shè)備更容易制造的第一步。
從 FEM 模擬中獲得的 GRACE 應(yīng)變分布結(jié)果
開(kāi)發(fā) GRACE-ful 機(jī)械手
根據(jù) IIT 研究人員的說(shuō)法，人工致動(dòng)器現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了他們能夠?qū)崿F(xiàn)與生物肌肉相同的收縮性能的發(fā)展階段。然而，在他們的論文中，該團(tuán)隊(duì)補(bǔ)充說(shuō)，通過(guò)人體內(nèi)部肌肉的復(fù)雜排列來(lái)重現(xiàn)“運(yùn)動(dòng)的多功能性和優(yōu)雅性”仍然非常困難。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們基本上開(kāi)發(fā)了人造肌肉。這些 GRACE 由單一材料的褶皺膜組成，使用數(shù)學(xué)模型從頭開(kāi)始構(gòu)建以收縮和擴(kuò)展。結(jié)果，致動(dòng)器能夠在不集成應(yīng)變限制元件的情況下按預(yù)期執(zhí)行。
團(tuán)隊(duì)的光彈性測(cè)試裝置
事實(shí)證明，根據(jù)制造設(shè)備所用材料的參數(shù)，它們能夠舉起比自身重幾個(gè)數(shù)量級(jí)的物體。在一個(gè)案例中，一個(gè) 8 克的原型 GRACE 甚至可以舉起 8 公斤的重量，這讓科學(xué)家們考慮將它們作為一種模仿真實(shí)肌肉和身體部位的手段的潛力。
為了測(cè)試這一理論，研究人員選擇連接 18 個(gè)不同尺寸的執(zhí)行器來(lái)創(chuàng)建機(jī)器人手和手腕。通過(guò)對(duì)每個(gè)3D打印薄膜施加壓力，他們發(fā)現(xiàn)可以以類似人類的動(dòng)作和效率來(lái)操作手。在成功測(cè)試了他們的方法后，該團(tuán)隊(duì)表示，它證明了在一個(gè)生產(chǎn)步驟中3D打印功能性肌肉是可能的。
該團(tuán)隊(duì)在論文中總結(jié)道：“GRACE 可以通過(guò)低成本的增材制造制造，甚至可以直接構(gòu)建在功能性設(shè)備中，例如一次性完全3D打印的氣動(dòng)人工手。” “這使得基于氣動(dòng)人工肌肉的設(shè)備的原型設(shè)計(jì)和制造更快、更直接。”