Attuatori pneumatici in miniatura per robot morbidi con stampa 3D multimateriale ad alta risoluzione

I RICERCATORI SVILUPPANO LINEE GUIDA PER LA STAMPA 3D DI ROBOT MORBIDI IN MINIATURA AD ALTA RISOLUZIONE

La Singapore University of Technology and Design (SUTD), la Southern University of Science and Technology (SUSTech) e la Zhejiang University (ZJU) hanno collaborato allo sviluppo di guide di flusso di processo per la stampa 3D di attuatori robotizzati in miniatura.

Dimostrando l’applicabilità dei loro attuatori fabbricati con additivi, i ricercatori hanno prodotto un dispositivo di rimozione dei detriti morbido con una pinza miniaturizzata integrata. Il team ritiene che il loro lavoro offra potenziali applicazioni nella manutenzione del motore a reazione e nella chirurgia minimamente invasiva.

Realizzati con materiali conformi, i robot morbidi sono in grado di adattarsi in sicurezza ad ambienti complessi e muoversi come organismi viventi . Poiché il campo è in rapida crescita, la robotica leggera è ora disponibile in una varietà di progetti, che spaziano da scale di lunghezza multiple da metri a sub-micrometri. Di recente, gli scienziati hanno robot morbidi stampati in 3D per la consegna dei farmaci , l’ingegneria dei tessuti e l’ esplorazione dello spazio .

I robot soft in miniatura sono di particolare interesse per il team. Questa classe di robot morbidi può essere progettata come una combinazione di attuatori miniaturizzati semplicemente guidati dalla pressione pneumatica. Questi robot in scala millimetrica mostrano sicurezza e deformabilità eccellenti. Tali proprietà sono altamente desiderabili per applicazioni come la navigazione in aree ristrette e la manipolazione di oggetti in microscala.

Per una maggiore flessibilità nella produzione di questi robot, gli scienziati vorrebbero adottare la produzione additiva rispetto ai metodi tradizionali come lo stampaggio e la litografia morbida. Tuttavia, sono rari esempi di successo di robot pneumatici in miniatura con stampa 3D. La complessità progettuale dei robot di dimensioni millimetriche richiede una grande delicatezza nella fabbricazione. Quando si riducono i microscopici robot pneumatici su scala microscopica, le funzioni più fini vengono perse di più di un ordine di grandezza durante il processo. Inoltre, è anche difficile stampare componenti 3D essenziali per l’attivazione pneumatica, come vuoti e canali in microscala, senza causare intasamenti.

Elaborazione digitale della luce di attuatori di robot soft in microscala

Digital Light Processing (DLP) è un processo di stampa 3D simile alla stereolitografia che utilizza un proiettore anziché il laser come sorgente luminosa. “Abbiamo sfruttato l’alta efficienza e la risoluzione della stampa 3D DLP per fabbricare attuatori robotici in miniatura”, ha affermato Qi (Kevin) Ge, ricercatore capo del progetto di ricerca di SUSTech.

Durante la DLP, i fotoassorbitori vengono solitamente aggiunti in soluzioni polimeriche per migliorare le risoluzioni di stampa. Allo stesso tempo, aumentare eccessivamente la dose porta a un rapido degrado dell’elasticità del materiale, che è fondamentale per i robot morbidi per sostenere grandi deformazioni.

“Per garantire una fedeltà di stampa affidabile e prestazioni meccaniche nei prodotti stampati, abbiamo introdotto un nuovo paradigma per l’adattamento sistematico ed efficiente della formulazione dei materiali e dei parametri di elaborazione chiave”, ha spiegato Ge.

La guida al flusso di processo inizia con la selezione di un fotoassorbitore con buona assorbanza alla lunghezza d’onda della luce UV proiettata e determinando la formulazione appropriata del materiale. Sulla base di test meccanici delle prestazioni, questi passaggi garantiscono un ragionevole compromesso tra risoluzione di stampa ed elasticità. Successivamente, i ricercatori hanno caratterizzato la profondità di vulcanizzazione e la fedeltà XY per identificare la combinazione adeguata di tempo di esposizione e spessore dello strato tagliato.

I risultati personalizzati vengono quindi applicati a un sistema di stampa 3D multi-materiale autocostruito. Usando la loro stampante 3D DLP, i ricercatori hanno prodotto un assortimento di attuatori robotizzati pneumatici morbidi con dimensioni complessive di 2-15 mm e dimensioni di 150-350 micron. Il team è anche riuscito a introdurre varie strutture e modalità di morphing negli attuatori.

Per esemplificare le potenziali applicazioni degli attuatori in miniatura stampati in 3D, è stato ideato un dispositivo di rimozione dei detriti morbido. Il dispositivo di rimozione è composto da una pinza pneumatica morbida in miniatura stampata in 3D e da un manipolatore continuo. Realizzato con questa tecnica di stampa 3D di robot in miniatura, il dispositivo può navigare in uno spazio ristretto e raccogliere piccoli oggetti in posizioni difficili da raggiungere.

L’approccio proposto apre la strada alla stampa 3D di robot soft in miniatura con geometrie complesse e sofisticati design multi-materiale. “La stessa metodologia dovrebbe essere compatibile con le stampanti stereolitografiche commerciali (SLA) o DLP 3D poiché non è richiesta alcuna modifica hardware”, ha aggiunto Ge.

L’integrazione di attuatori pnAttuatori pneumatici in miniatura per robot morbidi con stampa 3D multimateriale ad alta risoluzioneeumatici soft in miniatura stampati in 3D in un sistema robotico può portare ad applicazioni come la manutenzione del motore a reazione e la chirurgia mini-invasiva.

” Attuatori pneumatici in miniatura per robot morbidi con stampa 3D multimateriale ad alta risoluzione ” è pubblicato in Advanced Materials Technologies . È co-autore di Yuan-Fang Zhang , Colin Ju-Xiang Ng , Zhe Chen , Wang Zhang , Sahil Panjwani , Kavin Kowsari , Hui Ying Yang Qi Ge .

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