3D打印仿生人工肌肉--优雅的“GRACE”，一种基于几何结构来收缩和伸长的软体驱动器
时间：2022-08-17 21:27 来源：3D打印仿生人工肌肉 作者：admin 阅读：次
近日，意大利理工学院的Barbara Mazzolai团队开发了一种褶皱引导变形的气动人工肌肉，命名为基于几何结构来收缩和伸长的驱动器（GRACE）。GRACEs由单一材料的褶皱膜组成，不需要任何限制应变的元件。它们可以在不同的维度、材料及性能下，通过设计进行收缩和伸长，从而实现各种栩栩如生的运动。GRACEs可以通过低成本增材制造来制备，甚至可以直接一步构建功能设备，例如一个完全3D打印的气动机器人手（movie 1）。这使得基于气动人工肌肉的设备，原型设计和产品制造更快、更直接。相关工作以“3D-printed biomimetic artificial muscles using soft actuators that contract and elongate”为题，于2022年7月27日发表在《Science Robotic》上。
1. GRACE人工肌肉
图1 GRACE人工肌肉的概念
GRACEs是高效、方便和通用的人工肌肉（图1）。GRACE由一个曲线形状的薄壳组成，两端变窄，具有纵向工程褶皱。加压时，驱动器随着褶皱的展开，径向膨胀。减压时，褶皱折叠，导致径向收缩而纵向伸长。在GRACEs中，褶皱的曲线轮廓和整个驱动器的形状是关键。GRACEs的功能实现：驱动器结构的低应变几何转换。
图2 GRACE肌肉具有可调节的力输出和可扩展的尺寸
GRACEs表现出30%以上的冲程，负载/重量比可高达数千。通过设计最大限度的收缩、伸长或拮抗，利用不同的材料，可采用各种规模的低成本3D打印，也可内置在复杂设备中，实现复杂多样的运动（图2）。
2. 几何模型的建立
图3 GRACE多参数模型
首先，研究者通过纯几何学的方法，建立相应的几何模型，来研究褶皱的形状如何影响GRACE的行为。窄而深的褶皱可以促进收缩（GRACE-C），宽而浅的褶皱可以促进伸长（GRACE-E），而收缩和伸长均表现良好的褶皱拮抗性最好（GRACE-A）。通过有限元分析，确定合适的壁厚和材料。结构表明，只要使用更硬的材料或更厚的膜壁，就可以增加GRACEs的工作压力范围和由此产生的输出力。（图3）
3. 驱动性能的表征
图4 GRACE肌肉的表征和耐久性
接着，根据几何模型的模拟结果，研究者通过低成本桌面3D打印机和商业材料直接打印了不同的GRACE，并研究了其驱动性能（图4）。与骨骼肌相比，GRACEs表现出类似的变形和较低的力。本文所采用的打印材料具有光弹性，能够在驱动过程中，捕捉到物体应力应变分布产生的条纹图案，直观观察到产品结构中是否有应力残余，有利于研究GRACEs的制备工艺。1000次耐久性测试，均未观察到明显的损坏或永久形变，表明GRACEs能够轻松承受多个驱动周期。
4. 基于GRACE的“机器人手”
图5 基于GRACE的“气动机器人手”
最后，为了展示GRACE卓越的多功能性，研究者3D打印了一个完整的基于GRACE的气动机器人手（图5）。通过将GRACE进行串联、并联、对立配置、变换尺寸或是直接嵌入来展示各种平滑运动。该机器人手通过单一材料直接3D打印整体结构，无需组装，可随时气动驱动。
综上，与最先进的PAMs相比，GRACE的通用性更高，可设计性更强，可以一步到位地制造具有复杂驱动结构的设备，实现仿生运动。GRACEs的开发过程包括：建模、基于有限元分析的细化、增材制造，适合自动化大规模定制，允许根据需求直接生产不同的GRACEs。任何拥有桌面3D打印机的人都可以轻易开发基于GRACE的设计和设备。在未来的研究中，作者将进一步利用GRACEs来模仿动物王国中肌肉的排列变化，以实现生物启发机器的开发。
文章来源：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abn4155
(责任编辑：admin)
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