巴斯夫Forward AM气动软体机器人3D打印创新解决方案荣登Science Robotics封面

近年来，软体机器人以其简单、经济、灵活的特点成为解决复杂任务的理想方法。为了推动这一领域的创新，巴斯夫加利福尼亚研究联盟（CARA）与加利福尼亚大学（UC）圣地亚哥分校展开研究合作。这项研究由Yichen Zhai、Albert de Boer、Martin Faber、Rohini Gupta和Michael T. Tolley主导，成功在FFF桌面级3D打印机上制造出了带有嵌入式流体控制电路的一体成型软体机器人设备。这些创新型夹具采用Ultrafuse® TPU材料，通过熔丝制造（FFF）技术制成。这个解决方案不仅创造出功能强大的复杂装置，而且提高了软体机器人的安全系数。

大多数软体机器人采用气动驱动，通过模塑和组装工艺制造而成，通常需要大量人工操作，且设计灵活性有限。FFF桌面级3D打印机提供了可行的替代方案，不仅减少了人工操作，还能实现更复杂的设计结构。然而，由于材料和工艺的限制，熔丝技术打印的软体机器人通常柔软度和气密性不足，限制了其应用。

为此，巴斯夫Forward AM研究团队开发了一种创新设计，实现了柔软度高、气密性好的气动机器人设备，同时带有嵌入式流体控制元件的执行器。这种方法打印出的执行器比以前使用 FFF 制造的执行器柔软度得到大幅提高，能够灵活弯曲，甚至形成完整的圆形。研究团队还打印了用低控制压力控制高压气流的气动阀门。

通过将执行器与阀门结合，研究团队成功实现了完全由一体成型3D打印的无电子自主机械夹具。这种夹具不仅保持了气密性和软驱动性能，而且3D打印流程仅需16小时19分钟，无需后处理、后组装或制造缺陷修复。因此这种方法可重复性高，易于实施。

类似的方法也可用于设计和制造一系列带有嵌入式传感和控制电路的气动装置。获得气密结构的第一条关键设计原则是为每个软气动设备使用单一、连续的工具路径（即欧拉路径）进行打印。第二条关键设计原则是结构壁厚约为两层线宽，才能使其柔软度与硅胶模塑件相当。

这个一体成型自主夹具通过一次3D打印工作流程即可完成，并且打印完成后立即可以使用，通过简单的控制可自主拾取和释放物体，适合制造业、农业中各种操作工具的应用。在制造过程中，不需要组装或调整等人工操作，因此使用类似的台式3D打印机即可轻松复制该过程和设计。有了这些预定的工具路径规则，所有部件和组合系统都能达到相同的打印标准，保持理想的工作性能和气密性。

在制造方法以及执行器和阀门设计的基础上，该团队展示了一种通过 3D 打印实现的独特制造方法。巴斯夫和加州大学圣地亚哥分校合作开发的设计规则成功地制造出了气密性高、性能优异的自主气动装置。通过这些 "基础组件"的不同组合，可以在整体打印工艺中设计和制造出定制的复杂机器人。