Forscher entwickeln einen Prozessablauf für den hochauflösenden 3D-Druck von Mini-Softrobotik-Aktuatoren

Die von Singapore University für Technologie und Design (SUTD), der Southern University für Wissenschaft und Technologie (SUSTech) und der Zhejiang University (ZJU)-Forschern vorgeschlagenen Prozessabläufe leiten den 3D-Druck von kleinen weichen pneumatischen Antrieben. Die Integration der Ausdrucke in ein Robotersystem bietet potenzielle Anwendungen für die Wartung von Strahltriebwerken und die minimalinvasive Chirurgie.

Softroboter sind eine Klasse von Robotersystemen aus kompatiblen Materialien, die sich sicher an komplexe Umgebungen anpassen können. Sie haben in letzter Zeit ein schnelles Wachstum verzeichnet und sind in einer Vielzahl von Ausführungen erhältlich, die Skalen mit mehreren Längen von Metern bis zu Submikrometern umfassen.

Insbesondere kleine soft Roboter im Millimeterbereich sind von praktischem Interesse, da sie als Kombination von Miniaturaktuatoren konstruiert werden können, die einfach durch pneumatischen Druck angetrieben werden. Sie eignen sich auch gut für die Navigation in engen Bereichen und die Manipulation kleiner Objekte.

Die Verkleinerung von soften pneumatischen Robotern auf Millimeter führt jedoch zu feineren Merkmalen, die um mehr als eine Größenordnung verringert werden. Die Designkomplexität solcher Roboter erfordert große Sorgfalt, wenn sie mit traditionellen Verfahren wie Formen und Weichlithographie hergestellt werden. Obwohl neuere 3D-Drucktechnologien wie die digitale Lichtverarbeitung (DLP) hohe theoretische Auflösungen bieten, war es immer noch eine Herausforderung, Hohlräume und Kanäle im Mikromaßstab zu bearbeiten, ohne Verstopfungen zu verursachen. In der Tat sind erfolgreiche Beispiele für 3D-Druck-Miniatur-Softpneumatikroboter selten.

Vor kurzem schlugen Forscher aus Singapur und China, namentlich von der SUTD, der SUSTech und der ZJU, einen generischen Prozessablauf zur Steuerung des DLP-3D-Drucks von Miniatur-Pneumatik vor Antriebe für weiche Roboter mit einer Gesamtgröße von 2-15 mm und einer Merkmalgröße von 150-350 μm. Ihre Forschung wurde in Advanced Materials Technologies veröffentlicht.

“Wir haben die hohe Effizienz und Auflösung des DLP-3D-Drucks genutzt, um soft Miniatur-Roboteraktuatoren herzustellen”, sagte Associate Professor Qi (Kevin) Ge von SUSTech, leitender Forscher des Forschungsprojekts. “Um eine zuverlässige Drucktreue und mechanische Leistung der Druckerzeugnisse zu gewährleisten, haben wir ein neues Paradigma für die systematische und effiziente Anpassung der Materialformulierung und der wichtigsten Verarbeitungsparameter eingeführt.”

Beim DLP-3D-Druck werden Polymerlösungen üblicherweise Fotoabsorber zugesetzt, um die Druckauflösung sowohl in seitlicher als auch in vertikaler Richtung zu verbessern. Währenddessen führt eine übermäßige Erhöhung der Dosis zu einer schnellen Verschlechterung der Elastizität des Materials, was für soft Roboter entscheidend ist, um große Verformungen auszuhalten.

“Um einen vernünftigen Kompromiss zu erzielen, haben wir zunächst einen Photoabsorber mit einer guten Absorption bei der Wellenlänge des projizierten UV-Lichts ausgewählt und die geeignete Materialformulierung auf der Grundlage mechanischer Leistungstests bestimmt. Anschließend haben wir die Aushärtungstiefe und die XY-Genauigkeit bis bestimmt die geeignete Kombination aus Belichtungszeit und Schichtdicke ermitteln”, erklärte der Ko-Erstautor Yuan-Fang Zhang von SUTD.

Der vorgeschlagene Ansatz ebnet den Weg für den 3D-Druck von Miniatur-Softrobotern mit komplexen Geometrien und anspruchsvollen Multimaterial-Designs. Diese Integration gedruckter, weicher pneumatischer Miniaturaktuatoren in ein Robotersystem bietet Möglichkeiten für potenzielle Anwendungen wie die Wartung von Strahltriebwerken und die minimalinvasive Chirurgie.