3D打印软性机器人可应用于人工肌肉

一只灵巧的“虫子”，牢牢地抓住圆形管，一伸一缩中蜿蜒前行。其实，这只灵活的“虫子”是一款采用了天津大学科研人员左思洋、刘建彬课题组研发的新型模块化柔性驱动方法3D“打印”出来的软性机器人，可应用于人工肌肉和管道爬行机器人中。该成果今年1月初在线发表在《美国电气电子工程师学会机器人和自动化快报》上。

软性机器人因其较高的柔性、对人体安全等优点，近年来得到广泛关注。3D打印的优势在于制造复杂形体、复杂结构可一次成型，不需要后续加工。打印免组装结构，是3D打印技术制造软性机器人比较典型的应用。

左思洋、刘建彬课题组提出了一种基于薄膜气缸的新型模块化柔性驱动方法，可根据具体应用改变排列组合方式以及合理布置连接方案，将其应用于人工肌肉和管道爬行机器人中。

“每一个薄膜气缸就好比人体的一小块肌肉，或者爬虫的一个‘节’，只不过是用热塑性聚氨酯材料做的。”刘建彬解释说，如果把这个新型薄膜气缸结构比喻成一个基本的肌肉单元，根据不同的应用需求对这些单元的连接方式进行组合，就像是把一个个肌肉单元连接起来形成一整块肌肉，然后再应用于不同场景。

整块“肌肉”的制造过程采用了3D打印技术，一次成型，省掉了传统机电设备加工制造中的装配流程，大幅降低了驱动模块的制造成本和周期，且具备耗气量小、动态响应高、可靠性高、对应用场景适应性强等特点。

基于此创意，课题组首先提出了一种新型气动人工肌肉，可应用于柔性外骨骼等人机交互装备的驱动中。气动即以压缩空气为动力源，带动机械完成伸缩或旋转动作。与传统气动人工肌肉相比，该设计最突出的特点是不会产生厚度方向的膨胀，从而避免了对人体的挤压。

此外，课题组还提出了一种新型气动管道爬行机器人，可应用于工业管道设施的检查和实时监控。该管道爬行机器人采用仿生尺蠖原理，通过巧妙布置薄膜气缸单元之间的连接，实现机器人在管道内、外壁面爬行。柔性驱动方式的应用使该机器人能够适应大范围管道直径的变化，并可应对直管、弯管、竖管、水平管以及各种角度倾斜管的应用场景，同时机器人可承受自重80倍以上负载。

因为采用了气动方法驱动，软性机器人只能拖着长长的气管尾巴工作。如果将传感器集成到设备中，就能去掉这些气管尾巴，使机器人更独立精致。