Mięśnie z drukarki 3D, czyli przyszłość miękkiej robotyki

Badacze z ETH Zürich opracowali metodykę druku jednoelementowych, silikonowych urządzeń zdolnych wykonywać różnego rodzaju ruchy. Miękkie mechanizmy napędzane są pneumatycznie a ich sposób działania porównać można do mięśni. Opisany pomysł jest kolejnym przykładem zastosowania druku 3D do budowania systemów wykorzystywanych w konstrukcjach miękkich robotów.

Wydaje się, że dla wytwarzania przyrostowego znaleziono nową niszę, w której technologia ta doskonale się sprawdza. W przeciągu ostatnich kilku miesięcy pojawiło się bowiem wiele prac dotyczących zastosowania druku 3D do wytwarzania elementów miękkich robotów. Dopiero co pisaliśmy o skonstruowaniu silikonowej łapy zdolnej odbierać sygnały z otoczenia dzięki czujnikom wydrukowanym  z przewodzącego prąd żelu oraz o elastycznych przewodnikach z pasty opartej na stopie galu. Do listy dopisać można osiągnięcie naukowców z ETH Zürich, którzy w artykule opublikowanym w Nature Communications zaproponowali sposób przyrostowego wytwarzania silikonowych mechanizmów pneumatycznych.

Naturalne mechanizmy umożliwiające ruch organizmów żywych od lat inspirowały twórców robotów. Elastomerowe mechanizmy płynowe (fluidic elastomer actuators, FEAs) tworzone są od wielu lat, jednak technologia ich produkcji opera się na wielu skomplikowanych etapach, a same urządzenia są zwykle bardzo ograniczone. W ostatnich latach do wytwarzania FEAs stosowany jest także druk 3D, który znacząco upraszcza produkcję, ale drukowane mechanizmy nadal odstają od naturalnych odpowiedników. Główną przewagą biologicznych układów jest wykorzystywanie zmieniających długość włókien zamiast napędu pneumatycznego. Dlatego, mimo prostszej budowy, mogą one wykonywać bardziej złożone ruchy. Różnica ta nie wyklucza jednak zastosowania pewnych naturalnych strategii do konstruowania pneumatycznych robotów.

FEAs opisane w pracy „3D printing of robotic soft actuators with programmable bioinspired architectures” mają złożoną strukturę, która odkształca się anizotropowo (odkształcenie nie jest jednakowe dla różnych kierunków). Żeby je wydrukować sporządzono trzy mieszaniny silikonów różniących się masą cząsteczkową, które po wydrukowaniu i utwardzeniu wykazywały różną sztywność. Zaprojektowano oparte na strukturach biologicznych mechanizmy w formie cylindrów oplecionych sztywnymi paskami – w zależności od ułożenia pasków cylindry ulegały skręceniu lub skróceniu po wpompowaniu powietrza do ich wnętrza. Oprócz tego z silikonu wydrukowano zginające się ramię i chwytak. Dwa ostatnie mechanizmy wydrukowano korzystając z drukarki 3D Discovery, zaś cylindry drukowano na specjalnie skonstruowanej drukarce, wytłaczającej materiał na obracający się bęben.

Dla wydrukowanych FEAs naukowcy zaproponowali opis matematyczny wiążący strukturę wydruku z wykonywanym przez mechanizm ruchem. W pracy sformułowano jedynie proste podstawy projektowania drukowanych z elastomerów mechanizmów pneumatycznych, ale dalszy rozwój tej koncepcji może umożliwić wytwarzanie bardziej skomplikowanych układów z różnych materiałów, które znajdą praktyczne zastosowanie w miękkiej robotyce.

źródło: www.nature.com