Advanced Materials Technologies: 基于高精度多材料光固化3D打印的微型气动软体驱动器

近年来,具有良好安全性和适应性的软体机器人成为了快速发展的研究领域。学者们提出的各类设计跨越了多个尺寸量级: 大到米级,小到亚微米级。其中,毫米级大小的软体机器人往往由多个微型气动驱动器组成,简便的驱动方式使其适于在狭窄的空间内移动或操纵微小尺寸的物体。尽管如此,通过传统的方法(如模塑和软刻蚀)制备这类内带微米级大小空腔的结构并非易事,因其对手工操作依赖性较高且制备周期较长。相比之下,新兴的高分辨率光固化3D打印技术能提供较高的理论精度、降低对手工操作的依赖性。然而由于缺少指导工艺的流程,基于该技术成功制备具有高保真度空腔结构、可承受大变形的微型气动软体驱动器的案例寥寥无几。

针对这一技术空白,南方科技大学葛锜课题组和合作者提出了一套广泛可用的制备流程,既能控制结构细节各个方向的打印精度,又能确保打印后材料有较好的力学性能。遵循这一流程,研究者制备出了一批结构设计和材料分布均复杂的毫米级气动软体机器人(如图):总大小为2-15毫米、细节尺寸为150-350微米。

在高精度光固化3D打印中,为了提高在投影平面内和厚度两个方向的打印精度,往往需要在光敏聚合物溶液中加入光吸收剂;而过高的光吸收剂含量又会导致材料的弹性下降,进而影响软体机器人的变形能力。为了兼顾这两点,研究者提出首先选择一种和光源波长匹配的光吸收剂并通过力学表征调试出合适的溶液配方,然后通过表征单层材料固化的厚度和在投影平面内的保真度寻找到最优的曝光时间和切片厚度。把调试好的配方和参数应用于光固化3D打印设备,即可制备出小于一枚硬币的气动软体机器人。

为了进一步展示该工作在如飞机发动机维修、微创手术等领域的具体应用价值,研究者设计并打印、组装了一个软体碎片移除器。该系统可伸进狭窄的空间内曲折前进,利用头部的3D打印微型气动软体抓手抓起碎片,再沿原路退出完成碎片的移除。

相关文章发布在Advanced Materials Technologies,南方科技大学葛锜教授为该论文通讯作者,新加坡科技设计大学章圆方博士为第一作者。