Science Robotics让软机器人“活”得更久的3D打印！

软机器人硬件在医疗、探索无结构环境等领域有广泛应用，但其生命周期有限，导致资源浪费和可持续性差。软机器人结合软硬组件，复杂组装和拆卸流程使其难以维修和升级。因此，如何延长软机器人的生命周期并提高其可持续性成为亟待解决的问题。针对此问题，新加坡科技设计大学的Pablo Valdivia y Alvarado团队开发了一种先进的基于挤压的增材制造工艺，即原位自由形式液态3D打印（iFL3DP），以促进软机器人的功能升级和维修。相关研究以"Upgrading and extending the life cycle of soft robots with in situ free-form liquid three-dimensional printing"为题发表在《Science Robotics》上。本论文主要介绍了通过原位自由形式液态3D打印（iFL3DP）技术对软机器人进行功能升级和维修的方法。以下是本论文创新点概述：（1）开发了iFL3DP技术：本文开发了一种先进的挤压式增材制造工艺——原位自由形式液态3D打印（iFL3DP），用于软机器人的功能升级和维修。该技术通过直接打印在机器人表面，实现了复杂几何形状的多材料组件的制造。（2）成功应用于软机器人升级：通过iFL3DP技术，成功对现有软机器人进行了升级，添加了触须状传感器、抓取机构和多功能被动触须阵列等功能组件。这些组件的集成显著提高了软机器人的环境交互能力和操作性能。 （3）延长了软机器人的生命周期：iFL3DP技术不仅简化了软机器人的维修流程，还通过模块化设计实现了损坏部件的快速更换，从而显著延长了软机器人的使用寿命。这一技术为软机器人的可持续发展提供了有力支持。本研究为软机器人的升级和寿命延长提供了新的解决方案，通过iFL3DP技术实现了复杂组件的直接集成和高效维修，推动了软机器人技术的可持续发展。1. iFL3DP技术及其应用本文介绍了一种先进的增材制造技术—原位自由形式液态3D打印（iFL3DP），该技术通过直接在软机器人表面打印复杂几何形状的多材料功能组件，有效解决了软机器人维修和升级的难题。iFL3DP技术利用屈服应力水凝胶作为临时支撑材料，允许在机器人表面局部沉积定制凝胶体积，随后进行功能性软组件的自由形式液态3D打印。这一技术显著减少了支撑凝胶的体积，同时不受工作空间的限制，且不增加后处理时间。研究团队成功应用iFL3DP技术对一款仿蝠鲼的软体游泳机器人进行了升级，通过添加触须状传感器、抓取机构以及多功能被动触须阵列等功能组件，显著提高了机器人的环境交互能力和操作性能。此外，iFL3DP技术还展示了在软机器人损坏部件维修方面的潜力，通过重新打印损坏部件，有效延长了机器人的使用寿命。整体而言，iFL3DP技术为软机器人的可持续发展提供了新的解决方案，有望推动软机器人技术的广泛应用。
图1 软机器人升级与寿命延长的工作流程2. 软机器人功能组件的3D打印本文详细介绍了如何通过原位自由形式液态3D打印（iFL3DP）技术实现软机器人功能组件的3D打印。研究团队首先在机器人表面沉积一层薄薄的硅胶作为接合层，然后使用iFL3DP技术在接合层上直接打印功能组件，如触须状传感器、抓取机构和被动触须阵列等。这些组件由多种材料组成，包括不同模量的弹性体、液体和导电线，且具有复杂的几何形状，如悬垂和高纵横比结构，这些结构采用传统制造方法如铸造很难实现。打印过程中，通过调整针头轨迹、速度和输入压力，可以轻松实现组件的定制化。打印完成后，只需简单冲洗即可去除支撑凝胶，使组件立即投入使用。这种方法不仅简化了制造流程，减少了制造步骤，还提高了组件的集成度和修复性，显著延长了软机器人的使用寿命。
图2 iFL3DP工艺流程图3. 触须传感器性能表征本文对触须传感器的性能进行了详细表征。首先，通过动态和静态实验评估了应变计的响应特性。在动态实验中，触须在50 mm/s的速度下产生10 mm的位移，结果显示应变计在100次循环中表现出一致的响应，每次接触导致的电阻变化平均值为0.060±0.014。在静态实验中，触须同样在50 mm/s的速度下产生10 mm的位移，并保持30秒，结果表明应变计在刺激开始和结束时记录到电阻尖峰。此外，还测试了机器人在不同游泳速度下的传感器响应，结果显示传感器能够有效捕捉鳍的运动并记录相应的电压变化。这些实验结果表明，触须传感器能够可靠地检测机械刺激，为软机器人提供有效的触觉反馈。
图3 触须传感器性能表征4. 钩状执行器设计与测试本文详细介绍了钩状执行器的设计与测试过程。钩状执行器由两个钩状触须组成，通过镍铬合金线的焦耳加热控制低沸点液体的体积变化，从而实现钩状触须的开合。执行器的设计包括一个充满低沸点液体（约2.4毫升）的腔室，腔室顶部覆盖一层软膜，软膜上打印两个钩状触须。通过有限元分析（FEA）优化了腔室和钩状触须的设计，确保了执行器在加热时的可靠变形。实验结果表明，在固定电流（0.35 A at 4.20 V）下，执行器在60秒内可以达到51°的开合角度。此外，钩状执行器成功应用于软机器人的停靠和负载携带任务，展示了其在实际应用中的有效性和可靠性。这些结果表明，钩状执行器设计能够为软机器人提供额外的功能，增强其操作能力。
图4 钩状执行器性能与模拟5. 被动温度传感与样本收集本文展示了被动触须阵列在软机器人上的多种应用。被动触须阵列由高密度分布的触须组成，不仅能够收集生物样本，还可以通过颜色变化指示环境温度变化。实验中，触须阵列成功应用于温度感应和样本收集任务。当机器人从冷水区域移动到温水区域时，触须的颜色从红色变为绿色，实时反映了环境温度的升高。此外，触须阵列还用于收集水生植物样本，展示了其在环境监测和研究中的潜力。这些应用证明了被动触须阵列能够为软机器人提供额外的感知功能，增强其在复杂环境中的适应性和操作能力。
图5 被动触须阵列的应用综上所述，本文提出了一种创新的原位自由形式液态3D打印（iFL3DP）技术，用于升级和修复软机器人，延长其生命周期。通过直接在软机器人表面3D打印复杂的多材料功能组件，iFL3DP技术克服了传统制造方法在集成和修复方面的限制。研究团队成功应用iFL3DP技术对一款仿蝠鲼软体游泳机器人进行了升级，增加了触须状传感器、抓取机构和被动触须阵列等功能组件，显著提高了机器人的环境交互能力和操作性能。此外，iFL3DP技术还展示了在软机器人损坏部件维修方面的潜力，通过重新打印损坏部件，有效延长了机器人的使用寿命。整体而言，iFL3DP技术为软机器人的可持续发展提供了新的解决方案，有望推动软机器人技术的广泛应用。初步实验已展示出水下沉积硅胶和支持水凝胶的可行性，进一步的研究可探索该技术在液体环境中的适用性和影响范围，有望实现水下软机器人功能组件的直接制造和维护。