BOB手机版登录填补机器人和电子器件的增材制造应用空白加州大学团队通过3D打印压
栏目:公司新闻 发布时间:2022-08-04
 BOB官网版登录这些结构材料功能有限,只有少量软材料应用在生物领域或电子器件。但软材料也有其制约因素,例如其速度较慢、频率响应较低,而且它的强度度较低。但是现阶段,能用在机器人传感器和电子通讯的 3D 打印才刚刚起步,因此可打印的也结构有限。  图丨该论文通讯作者、UCLA 土木与环境工程系,机械与航空宇航系(现任加州大学伯克利分校材料科学与工程系)副教授郑小雨(来源:郑小雨)  郑小雨团队结

  BOB官网版登录这些结构材料功能有限,只有少量软材料应用在生物领域或电子器件。但软材料也有其制约因素,例如其速度较慢、频率响应较低,而且它的强度度较低。但是现阶段,能用在机器人传感器和电子通讯的 3D 打印才刚刚起步,因此可打印的也结构有限。

  ▲图丨该论文通讯作者、UCLA 土木与环境工程系,机械与航空宇航系(现任加州大学伯克利分校材料科学与工程系)副教授郑小雨(来源:郑小雨)

  郑小雨团队结合光学、力学和材料科学,开发新材料和增材制造方法,BOB手机版登录用于智能材料和结构、能源、机器人、通信和医疗保健。在该研究之初,他们就想利用 3D 打印制造技术来突破以往的局限因素,使机器人传感器或电子通讯器等硬的电材料可以方便地打印出来。

  3D 打印传感器的难点有哪些呢?郑小雨指出,想要突破这些限制,对材料有严苛的要求,比如高频率响应、高信噪比、高精度,并且还需要结合实现闭环控制;同时还要能够精准成型,达到精度,尺寸和打印速度的制造要求。

  该研究开发了可直接打印压电驱动器和机器人的制造技术,通过该技术能把包括介电材料、压电材料、导电金属在内不同性质的材料一次性打印。这种 3D 打印的独特性在于,通过该技术可直接打印出电子元件(如驱动器、机器手臂),并且打印出来材料还具备高频率响应(10M 赫兹)。

  ▲图丨构成微型机器人基础的 3D 打印格子,复杂的元件设计用于高速弯曲、弯曲、扭曲、旋转、膨胀或收缩(来源:郑小雨)

  郑小雨表示, 从增材制造方面看,通过 3D 打印能实现普通加工技术无法实现的结构,因此该技术可将电子元件和结构设计巧妙结合,打印出实现全部机器人功能的部件。

  该研究的另一个突破在于机器人设计的极大简化和可制定。长期以来,机器人和动力装置依靠不同的工艺才得以结合,例如完成机器人的组装,需要驱动器、、传感器、机械手臂、传动装置等电子元件。

  郑小雨说道: 如何把电源转化成力和运动需要机械传动装置,因此需要不同的材料,而且需通过不同的加工方法把它们分别制造出来、再将所有部件组装起来。

  该团队通过 3D 结构,实现了将机器人所需要的所有功能集成到微小的 3D 结构中,并能实现自主行走、感知环境及自主导航。 这简化了不同材料的加工工艺及组合的复杂程序,相当于一次性 3D 打印就完成了传统方法的整个复杂过程。 他说。

  他还表示,未来,用户如果想实现不同的机器人功能,通过设计和 3D 打印输出的结构就可实现,而这个结构本身就是一个机器人。

  从超材料领域看,该研究的突破在于让原本通过不能动的 死材料 ,通过 3D 设计和打印实现机器人化,还能自我调节和 动起来 。BOB手机版登录郑小雨解释道: 我们使用的是压电超材料,它能感知外部环境,然后自己做决定,我们在将其称为‘机器人超材料’。

  那么,这些突破是如何实现的呢?首先,该团队从攻克了设计方面的难题。普通的压电材料在加电压后往往只能横向变形,并且其材料变形小,大约在 0%-0.5% 范围内。

  我们通过电动力学设计,使打印出的材料可以将加在两端的电压,转化成任意的、不同的机械运动模式,该材料可自行扭转、伸张、收缩、转动。BOB手机版登录并且可以将压电材料的变形和位移例放大。郑小雨说。

  可变形的超材料结构设计好后,下一步只需将超材料结构转化为可行走的机器人。该论文第一作者崔华晨博士解释道: 机器人的设计灵感来源于大自然,仿照猎豹的身体结构设计。该设计让微型机器人更加敏捷灵活并且可以通过简单的原理进行驱动并快速实现跳跃跨步。

  确认了设计方案后,接下来该团队要解决的问题是如何实现多材料 3D 打印。在以往研究中,材料的打印精度和功能往往不能同时兼得。也就是说,想要材料功能高,打印精度就会变得很低。

  针对该问题,郑小雨团队通过多材料 3D 打印,结合后续的热处理,实现了材料的功能属性的最优化。他表示, 与普通的多材料打印相比,该 3D 打印方法可把电结构材料和功能材料共同打印出来,实现不同属性材料的结合。

  通过该技术可 3D 打印出复杂的形状,因此其应用场景多样。第一,实现传感器打印和驱动器的个人化设计,用户可根据需求定制化地对功能器件进行打印。

  第二,可应用于海底探测及石油探测。 通过 3D 打印出微型机器人,可探测水下动物、在海底很小的岩石或沟壑之间行走,并可自行检测、自主导航周围的环境或进行石油探测等。郑小雨说。

  ▲图丨郑小雨课题组部分成员,从左到右依次为:博士生维克多 · 库德尔(Victor Couedel), 通讯作者郑小雨教授,论文第一作者崔华晨(现任郑教授研究组博士后,即将就任香港科技大学广州分校助理教授),博士生徐振澎(来源:郑小雨)

  科罗拉多大学机械工程助理教授罗伯特 · 麦柯迪(Robert MacCurdy)对媒体评价该研究: 这是 3D 打印技术的真正创新,以前从未实现过打印具有内置电子元件和遥感能力的移动、变形材料,这预示着未来机器人的生产。

  ▲图丨郑小雨课题组部分成员,第一作者崔华晨(右)和郑小雨教授(左)在讨论超材料结构设计(来源:郑小雨)

  目前,相关技术已申请专利。下一步,该团队计划将实现压电效应的材料在不同环境下的兼容性(生物,水下等)实行验证。

  郑小雨表示,除了团队的课题的进展,他还期待更多的研究者能在 3D 打印电池技术上有所突破。 微型机器人的尺寸像人的指甲盖大小,因此未来如果能把供电装置做得更轻,更小,高能量密度输出、并能集成在机器人上,也是一个非常令人期待的方向。