3D打印人造肌肉實現(xiàn)新突破，可以輕松舉起自身重量的1000倍

2022年8月5日，南極熊獲悉，意大利理工學院（IIT）的研究人員，利用3D打印技術，開發(fā)了一種新的機械手，該團隊宣稱，使用SLA 3D工藝制造的人工肌肉，更具備仿生能力。

△IIT研究人員的機械手，配有3D打印的GRACE執(zhí)行器

這個栩栩如生的肢體，由一系列可收縮和拉長執(zhí)行器組成，或者可以稱它為 "GRACES "。這些執(zhí)行器由樹脂膜3D打印而成，可以像肌肉一樣拉伸和收縮。這些微小的執(zhí)行器僅重8克，可以舉起自身重量的1000倍，當集成到一個機器人手時，它們具備人類手指一樣的功能，如彎曲、扭轉手掌和轉動手腕的能力。

△可以在它們的研究結果，題目為《使用可收縮和拉長的軟驅動，3D打印仿生人造肌肉》的論文中查看更多內(nèi)容（點我傳送門）

基于3D打印的生物仿生技術
自然界充滿了對動物和植物仿生學研究的例子，這對材料科學家和工程師來說仍然是一種啟發(fā)。為了在人工結構和機器人中重現(xiàn)這些特性，研究人員經(jīng)常求助于3D打印，并在這樣做的過程中，完成了一些令人印象深刻的生物模仿。

△墨魚骨骼布局的SEM和顯微CT圖像

在浙江大學，科學家們根據(jù)墨魚的啟發(fā)，利用3D打印技術，模仿海洋生物獨特的能量吸收能力。事實上，該團隊的早期模型具備超強的耐壓能力，以至于它們能夠承受高達其自身重量2萬倍的壓力。同樣，中國臺灣省科技大學的工程師們，已經(jīng)用FDM 3D打印了海膽殼狀格子，而不需要任何支撐材料。

在其他地方，在軟體機器人的生物模仿嘗試中，研究人員已經(jīng)部署了，能夠將能量和電信號轉換為運動的執(zhí)行器，以創(chuàng)造具有逼真動作的機器人。而中國的科學家通過3D打印軟性機器人手指，向肢體生產(chǎn)邁進。

通過有效地結合這些方法，IIT團隊說，未來有可能3D打印出，足夠強大和靈活的軟執(zhí)行器，以有效地 "與自然和社會環(huán)境相結合"，應用范圍從生物多樣性保護，再到老年人日常護理。因此，該團隊認為，他們的機器人手原型，是朝著使這種設備更容易創(chuàng)造的方向邁出的第一步。

△從FEM模擬中，獲得的GRACE應變分布結果

開發(fā)具有GRACE功能的機械手
根據(jù)IIT研究人員的說法，人工執(zhí)行器現(xiàn)已達到發(fā)展過程中一個重要的階段，它們能夠實現(xiàn)與生物肌肉相同的收縮性能。然而，在他們的論文中，該團隊補充說，以往的技術所面臨的問題，很難再現(xiàn)由人體內(nèi)部復雜的肌肉排列，所帶來的 "運動的多樣性和優(yōu)雅"。

為了解決這個問題，改團隊設計出了，由單一材料褶皺膜組成的GRACE人工肌肉，它們，從頭到尾都是利用數(shù)學模型來收縮和伸展。因此，執(zhí)行器能夠按照預期執(zhí)行，而無需集成應變限制元素。

△Form 3L（左）和 Form 3（右）3D打印機

通過Formlabs Form 3D打印設備，使得研究人員，能夠將褶皺集成到設備的膜上，它們具備折疊和展開功能，同時，賦予了它們，能夠承受反復變形所需的靈活性和強度。在實踐中，該團隊宣稱，這些3D打印手機經(jīng)過測試，可以舉起越來越重的物品，無論是單獨還是分組。

△該團隊的光彈性測試裝置

事實證明，根據(jù)用于制造這些設備的材料的參數(shù)，它們能夠舉起比自身重幾個數(shù)量級的物體。在一個案例中，8克的GRACE原型模型，甚至能夠舉起8公斤的重量，這使得科學家們重新認識到，它們可以作為仿真肌肉和身體部位的一種潛在手段。

為了測試這一理論，研究人員選擇連接18個不同大小的執(zhí)行器，來創(chuàng)建一個機器人手和手腕。通過對每個3D打印膜施加壓力，他們發(fā)現(xiàn)可以用類似人類的動作，和效率來操作這只手。在成功測試了他們的方法后，該團隊說，它證明了在單一生產(chǎn)步驟中，3D打印功能性肌肉的可能性。

"GRACE可以通過低成本的3D打印方式來制造，甚至可以直接在功能性設備中制造出來，比如，只需一步就能完成3D打印的氣動假肢。”“這使得基于氣動人工肌肉的原型設計和制造更快、更直接�！�