哈佛工程师打造3D打印自主机器人

哈佛工程师使用3D打印机开发了首批自动移动的软机器人之一。

传统的工业机器人是刚性的（主要是金属），并且具有快速，精确和强大的功能。它们的速度和准确性是以复杂性为代价的，并且常常会对距离太近的人类构成危险。软机器人具有适应性强，适应性强，但速度慢，难以制造以及难以实现自主的特点，因为大多数电动机，泵，电池，传感器和微控制器都是刚性的。

但是，如果您可以将刚性机器人的自主性和速度与软机器人的适应性和弹性相结合，并且相对便宜又快速地做到这一点，该怎么办？

该设计在7月10日的《科学》（Science）杂志上进行了描述，为困扰软机器人的工程挑战提供了一种全新的解决方案：刚性和软材料的集成。

SEAS研究人员建立了首批能够自动移动的3D打印的软机器人之一。该设计为多年来困扰软机器人的工程挑战提供了一种新的解决方案：刚性材料和软材料的集成。这种设计将刚性机器人的自主性和速度与软机器人的适应性和弹性相结合，并且由于采用3D打印，因此相对便宜且快速。

机器人的身体由软变硬，从而减少了刚性电子部件与身体结合时的压力，并提高了机器人的弹性。该机体的整体设计-使用多种材料在一个连续的打印作业中创建-提高了其强度和坚固性。由于没有滑动部件或传统关节，该机器人不会像更复杂的表兄弟那样受污垢或碎屑的伤害，因此使其成为在恶劣地形中使用的理想选择。

“软机器人领域的愿景是创造完全软的机器人，”哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的Charles River工程与应用科学教授Robert J. Wood说道。 ）和哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的核心教员。“但是出于实际原因，我们的软机器人通常具有一些刚性部件，例如电池和控制电子设备。该机器人演示了一种通过材料特性梯度将刚性组件与软机器人的主体集成在一起的方法的方法，从而消除了通常是故障点的突然的，从硬到软的过渡。”

燃烧动力机器人让人想起玩具橡胶弹出器，它由两个主要部分构成：一个具有三个气动支脚的软柱塞状主体和一个刚性核心模块，其中包含电源和控制组件，并由一个由3-制成的半软屏蔽保护D打印机。该设计基于前合著者和化学家乔治·怀特塞德斯（George Whitesides），伍德福德·L·伍德和哈佛大学安·A·弗洛斯大学教授的先前工作建立。

为了开始运动，机器人给其气压腿充气以使其身体向想要的方向倾斜。然后将丁烷和氧气混合并点燃，将机器人弹向空中。这是一款功能强大的跳线，垂直跳高时其身高可达其六倍，而横向跳中时其身高可达其一半。在野外，跳跃运动可能是在障碍物周围快速轻松移动的有效方法。

该论文的第一作者，SEAS的一名研究生Nicholas Bartlett说：“关于软机器人的奇妙之处在于，它们很容易被滥用。”“机器人的刚度梯度使其可以承受数十次着陆的冲击，并能承受跳跃所需的燃烧事件。因此，该机器人不仅显示出更高的整体鲁棒性，而且可以比传统的软机器人更快地运动。”

在恶劣，不可预测的环境或灾难情况下，该机器人的跳跃能力和柔软的身体将派上用场，从而使其能够承受较大的跌落和其他意外事件的发展。

这项新设计展示了3D打印在软机器人中的潜力。传统的制造方法（定制模具和多步组装）既昂贵又缓慢。与3D打印机兼容的材料种类不断增加，使工程师可以更快地对新设计进行原型制作。增加的复杂性并不一定导致成本增加。

伍德说：“软机器人技术是一个相对的新兴子领域，而3D打印正在以一种切实可行的方式增加了我们可以做的事情的范围。”

该论文的共同第一作者是加利福尼亚大学圣地亚哥分校的迈克尔·托利。合著者包括Johannes T.B.SEAS的Overvelde和Katia Bertoldi； Wyss研究所的James Weaver；威尔康奈尔医学院的Bobak Mosadegh；如前所述，哈佛大学怀特赛德大学和怀斯学院（Wyss Institute）。

这项研究得到了美国国家科学基金会和Wyss研究所的支持。哈佛大学技术开发办公室已申请了该技术的临时专利，并正在寻求商业化机会。

出版物：Nicholas W. Bartlett等人，“一种由3D打印，功能分级的，由燃烧驱动的软机器人”，《科学》，2015年7月10日：卷349号6244 pp.161-165； DOI：10.1126 / science.aab0129