3D打印软机器人可应用于人造肌肉

一条灵巧的“虫子”牢牢抓住圆管，一边伸展一边收缩，向前蜿蜒前进。实际上，这种柔性“蠕虫”是由天津大学的左思扬和刘建斌研究员开发的新型模块化柔性驱动方法印刷而成的柔性机器人。可用于人工肌肉和管道爬行机器人。这一成果于今年1月初在《美国电气电子工程师学会机器人和自动化快报》在线发布。

近年来，软机器人因其对人体的高灵活性和安全性而受到广泛关注。3D打印的优点是可以一次形成复杂的形状和结构，无需后续处理。印刷无装配结构是三维印刷技术在制造软机器人中的典型应用。

左思扬和刘建斌提出了一种基于薄膜气缸的模块化柔性驱动新方法，通过改变排列组合方式，根据具体应用合理安排连接方案，可应用于人工肌肉和管道爬行机器人。

“每个膜筒都像人体的一块小肌肉，或者爬行动物的一个‘部分’，但它是由热塑性聚氨酯材料制成的。”刘建斌解释说，如果将新的膜筒结构比作一个基本的肌肉单元，根据不同的应用需求组合这些单元的连接方式，就像是将一个肌肉单元连接成一个整体肌肉，然后应用到不同的场景中。

整个“肌肉”的制造过程采用3D打印技术，一次成型，省去了传统机电设备加工制造中的装配工序，大大降低了驱动模块的制造成本和周期，具有耗气量小、动态响应快、可靠性高、对应用场景适应性强的特点。

基于这一思想，课题组首次提出了一种新型气动人工肌肉，可应用于柔性外骨骼等人机交互设备的驱动。气动是指以压缩空气为动力源，驱动机器完成膨胀或旋转。与传统的气动人工肌肉相比，这种设计最突出的特点是不会在厚度方向膨胀，从而避免了对人体的挤压。

此外，课题组还提出了一种新型气动管道爬行机器人，可应用于工业管道设施的检测和实时监控。管道爬行机器人采用仿生尺蠖原理，通过巧妙设置膜筒单元之间的连接，实现机器人在管道内外壁爬行。柔性驱动方式的应用使机器人能够适应大范围的管径变化，能够应对直管、弯管、立管、横管、各种角度斜管的应用场景。同时，机器人可以承受超过自身重量80倍的载荷。

因为是气动方式驱动，所以软式机器人只能长着气管尾巴工作。如果传感器被集成到设备中，这些气管尾部可以被移除，使机器人更加独立和精致。