通過將兩種不同的方法結合到一個集成的工作流程中,新加坡科技設計大學 (SUTD) 的研究人員開發了一種用于設計和制造定制軟機器人的新型自動化流程。他們的方法發表在Advanced Materials Technologies 上,可以應用于其他類型的軟機器人,允許以一種可訪問的方式定制它們的機械性能。


盡管機器人通常被描述為堅硬的金屬結構,但一種被稱為軟機器人的新興柔韌機器正迅速受到關注。受生物體柔性形式的啟發,軟機器人在傳感、運動、物體抓取和操縱等方面有著廣泛的應用。然而,這種機器人仍然主要通過手工鑄造技術制造——限制了可以實現的復雜性和幾何形狀。


軟體機器人自動化定制程序,可以量身定做機械性能


由于缺乏標準工具,大多數制造方法主要是手動的,但 3D 打印或增材制造正在慢慢發揮作用,因為它促進了可重復性并允許更復雜的設計,提高質量和性能。


嵌入式 3D 打印——其中各種材料墨水被擠壓在一個支撐矩陣中,特別適合制造由多種材料或復合材料制成的軟機器人。為了確保對這些機器人進行優化設計,該團隊轉向拓撲優化 (TO),其中采用數學模型在一組約束內設計定制結構。


通過在單個框架中自動化這兩個關鍵步驟,作者希望開發一個集成的工作流程,用于創建定制的軟機器人并最大限度地減少沿途的潛在錯誤。在這項研究中,該小組使用了一種受 batoids 啟發的游泳自主機器人。


工作流程首先定義機器人的鰭幾何形狀,然后使用 TO 在規定的材料和運動約束內生成具有所需屬性的所需結構。然后將優化的設計轉換為代碼,由團隊定制的 3D 打印機讀取,進而制造機器人。


軟體機器人自動化定制程序,可以量身定做機械性能


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具有優化游泳性能的軟機器人


受蝙蝠形啟發的軟機器人旨在在海洋環境的惡劣條件下生存,該方法側重于定制鰭的成分并評估這些變化如何影響制造的機器人的游泳性能。


創造了三種類型的鰭——兩個鰭分別由軟和硬材料制成,第三個鰭通過 TO 結合兩種材料設計。與使用傳統方法制造的前兩個翅片不同,第三個復合翅片是按照集成工作流程制造的。


令人難以置信的是,帶有優化復合鰭的軟機器人比采用傳統鑄造軟鰭的機器人快 50%,速度略高于帶有硬鰭的機器人。與軟鰭相比,帶有復合鰭的相同原型的轉彎速度也快了大約 30%,并且在三個機器人中轉彎半徑最小,使其更擅長在水中機動。


Valdivia y Alvarado 博士成功證明了他們方法的有效性后,指出他們制造優化的多材料軟機器人的工作流程可以普遍應用于設計其他軟機器人。


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