《Science Advances》：全3D打印软体机器人取得重要突破！

软体机器人的出现，带来了控制这些系统的底层射流有关的新挑战。在此，来自美国马里兰大学的Ryan D. Sochol等研究者，介绍了一种通过PolyJet三维(3D)打印在单个打印运行中，由完全集成的射流电路组成的增材制造统一软体机器人的策略。相关论文以题为“Fully 3D-printed soft robots with integrated fluidic circuitry”发表在Science Advances上。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257

在过去的十年里，软体机器人领域已经确立了自己的地位，因为它特别适合使用传统的、刚性的机器人很难或不可能实现的应用。依赖于由射流手段(如液压和/或气动)驱动的柔顺材料，给软体机器人带来了一些固有利益，特别是在人机交互的安全性、低成本和在操作复杂和/或精密物体的结构适应性方面。然而，目前软体机器人应用的一个关键障碍是，要求增加独立操作的软体执行器(或自由度)的数量，通常要求相等或更多的不同控制输入。为了减少或消除这种外部控制方案的需要，研究人员已经研究了一系列通过射流逻辑增强软体机器人自主性的方法。

与人工将独立的射流电路连接到软体机器人上的研究相反，人们对将这些功能直接嵌入软体机器人系统的能力越来越感兴趣。特别值得注意的是Wehner等人报道的一种混合策略，即，使用基于无尘室的多层软光刻协议来制造微流控振荡器，然后利用各种制造技术，如计算机数控加工、多材料铸造、嵌入式牺牲式直接墨水书写、热固化/疏散过程，激光切割，最终实现一个可以周期性驱动的不受束缚的软“章鱼机器人”。然而，由于依赖于基于软光刻的射流电路，这种制造方法尚未在软体机器人领域得到广泛采用。此外，虽然研究人员已经证明了射流阀的广泛功能，但基于这种制造方法，实现更复杂的功能，特别是基于压力增益操作的功能并不简单。

为了在更大的规模上绕过上述挑战，Rothemund等人引入了软双稳态阀，作为射流模拟电子Schmitt触发器。遗憾的是，目前的改进方法，都没有办法有效解决上述挑战。因此，制造基于射流电路的软体机器人的替代方法，仍然是关键需求。

在此，研究者提出了一种新的策略，即通过多材料“PolyJet三维(3D)打印”，在单个打印过程中增材制造统一的软体机器人系统和完全集成的射流电路(图1)。最初，模块化的组件，如射流电路元件、互连、访问端口以及软体机器人作动器和结构部件(图1A)，可以在计算机辅助设计(CAD)软件中进行设计和组装，生成具有完全集成的射流电路的软体机器人的三维模型(图1B)。虽然研究人员已经在软体机器人和射流电路领域广泛使用了增材制造技术，但研究者认为PolyJet 3D打印是唯一适合同时制造两类系统作为统一实体的技术。PolyJet打印是一种基于喷墨的(材料喷射)过程，其中，多个光反应性和牺牲支撑材料被平行分配(与连续的紫外线剂量)，以逐行、一层一层的方式产生3D物体。

在这项工作中，研究者通过增材制造了完全集成的软体机器人系统，即，包括所有的软执行器；车身特征(任意设计)；和射流电路元件，互连和端口-在一次打印运行(图1C和D及相关动画)。该过程需要同时印刷三种不同的材料：(i)顺应性光聚合物(图1C，黑色)；(ii)刚性光塑材料(图1C，白色)；(iii)牺牲的水溶性支撑材料(图1C，黄色)。

图1 PolyJet 3D打印统一软体机器人系统的设计和增材制造策略，该系统包括在单个打印运行中完全集成的射流电路。

图2 基于PolyJet 3D打印的射流电路元件的工作原理和结果，包括柔顺(黑色)和刚性(白色)材料集成。

图3 恒流型软体机器龟的工作原理及实验结果。

图4基于正弦输入的软体机器龟的工作原理及实验结果。

图5 集成射流电路的预编程、基于非周期射流输入的软机械手的概念和结果。

综上所述，研究者本文提出的基于polyjet的战略提供了独特的承诺，在提高软体机器人领域的可及性的同时，支持一定程度的再现性和设计多功能性，与此同时，这是目前还没有报道过的替代方法。

此外，感兴趣的研究人员可以随时下载、修改和/或复制(例如，3D打印现场或通过商业3D打印服务)这里演示的所有功能，从而为具有广泛学术背景的研究人员提供了一个新的途径，以设计、增材制造和推进由完全集成的射流电路组成的软体机器人系统。（文：水生）