Мягкие роботы, изготовленные из гибких, биосовместимых материалов, пользуются большим спросом в самых разных отраслях — от здравоохранения до производства, но точное проектирование и управление такими роботами для конкретных целей остается постоянной проблемой. А что если бы можно было напечатать на 3D-принтере мягкого робота с уже встроенными предсказуемыми возможностями изменения формы? Эксперты по 3D-печати из Гарварда показали, что это возможно.
В своем исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials, они описывают новый метод изготовления роботизированных устройств с помощью длинных нитей, имеющих точно расположенные полые каналы. При заполнении воздухом эти каналы позволяют устройству изгибаться и деформироваться заданным образом.
Развитие этой технологии возглавили аспирант Джексон Уилт и бывший научный сотрудник Натали Ларсон в лаборатории Дженнифер Льюис, профессора биоинженерных разработок имени Хансйорга Висса в Инженерной школе имени Джона А. Полсона (SEAS). Метод сочетает в себе несколько разработанных в Гарварде технологий 3D-печати и позволяет обойтись без традиционных отливок и форм, которые обычно используются для изготовления мягких роботов.
«Мы используем два материала из одного источника, которые можно вращать, чтобы запрограммировать направление изгиба робота при надувании», — сказал Уилт. «Наши цели совпадают с целью создания мягких, биоинспирированных роботов для различных применений».
Ротационная многокомпонентная 3D-печать
Новый подход основан на инновации лаборатории Льюиса, называемой ротационной многоматериальной 3D-печатью , при которой одно сопло позволяет одновременно печатать более чем одним материалом. Вращаясь и переориентируясь, машина выдавливает чернила по настраиваемым траекториям. Лаборатория использовала этот тип 3D-печати для создания мягких спиральных структур, которые действуют как искусственные мышцы и другие объекты.
Используя этот общий подход, исследователи создали нити, состоящие из внешней оболочки из полиуретана и внутреннего канала, изготовленного из полимера, обычно используемого в гелях для волос, называемого полоксамером. Нити можно было располагать в виде линий, как в плоском, так и в выпуклом виде. Благодаря точному контролю конструкции сопла принтера, скорости вращения и скорости потока материала, исследователи запрограммировали ориентацию, форму и размер каждого внутреннего канала.
После того как внешняя оболочка затвердела, исследователи смыли внутренний канал, похожий на гель для волос. В результате получились трубчатые структуры с полыми каналами, которые можно сжимать под давлением, заставляя их изгибаться в разных направлениях, и которые служат основой для мягких устройств, способных расширяться, сжиматься и захватывать предметы.
Простая конструкция, сложные устройства
Данное исследование открывает новые возможности для упрощения изготовления сложных устройств. Оно предлагает альтернативу традиционным методам создания мягких роботов, которые обычно включают отливку мягкого материала на форму, нанесение пневматических каналов на поверхность и инкапсуляцию каналов на другой слой. «В этой работе у нас нет формы. Мы печатаем структуры, быстро программируем их и можем быстро настраивать привод», — сказал Уилт.
Они продемонстрировали свою новую технику, нанеся по спирали цветочный узор в виде непрерывного лабиринта. Также они напечатали пятизначную ручку с «костяшками пальцев», которые сгибаются.
По словам Уилта, полученные результаты демонстрируют потенциал использования этого типа быстрого изготовления в самых разных областях, от хирургической робототехники до вспомогательных устройств для людей.
