3Dプリントソフトロボットが再びAdvanced Materialsに登場

この投稿は Spectacled Bear によって 2021-7-21 12:57 に最後に編集されました。

はじめに：完全に 3D プリントされた流体回路ソフトロボットタートルとマリオをプレイできるロボットハンドを覚えていますか (詳細については、米国メリーランド大学の「Science Advances」、完全に 3D プリントされた流体回路ソフトロボットを参照してください)。覚えていない方は、新しい 3D プリントソフトロボットレイをチェックしてみてください。
アンタークティックベアは、ワシントン州立大学、シンガポール工科デザイン大学、コロラド大学デンバー校の学者が、計算トポロジー最適化と弾性シリコーンポリマーを使用して軟質複合構造を製造し、新しい軟質複合構造を設計して直接製造する方法を提案したことを知りました。研究チームはこの手法とバイオニックデザインを組み合わせて、エイの形をした柔らかいロボットを作成し、水泳をシミュレートしました。
△柔らかい複合素材。 A) 機械的特性を調整するための剛性マトリックス内の柔らかい繊維状 E3DP: リザーバー (材料 2) に埋め込まれた短い繊維状アレイ (材料 2) は、複合構造の引張特性を調整するのに役立ちます。 B) 軟質複合材料の試験片。 C) 複合サンプルとその個々のコンポーネントの引張試験の応力-ひずみ曲線。
ソフトロボットの性能には材料と構造が重要な役割を果たしますが、現在の設計および製造方法では複雑な構造と機能に一定の制限があり、ソフトロボットの性能を妨げています。この論文では、研究チームはトポロジー最適化（TO）と積層造形を組み合わせてエイにヒントを得たソフトロボットを作成し、水中でのヒレの動きを運動学を研究するための実験ツールとして使用しました。
△柔らかいコウモリ型ロボットを作ります。 A) ロボット本体はFFF方式で製造されています。 B) 内部部品（ブレーキ、センサー、バッテリーなど）。ディスペンサーが金型内にバルクマトリックス材料を注入します。 C) 精密ディスペンサーがエラストマーインクに最適なパターンを埋め込みます。 D) 等方性材料を含むさまざまなインクを等方性マトリックス材料に埋め込む。 E) フィン印刷: フィンリザーバーは DIW によって堆積されます。 F) フィン印刷：複合繊維E3DP。 G) 複合フィン。 H) 完成したソフトエイロボット複合フィン。 I) 等方性ハードフィン。 J) 最適化された複合フィン。
チームは、市販の多目的 3 軸モーション制御 3D プリンター (System 30M、Hyrel Inc.) を改造し、最大 4 つのプリントヘッドを収容できるキャリッジツールも追加しました。 FFF 製造プロセスでは、メーカー構成のプリントヘッド (MK1-250、Hyrel Inc) が使用され、液体ディスペンシングでは、カスタムアダプターを介して 3D プリンターに接続された針と注射器を備えた空気圧式液体ディスペンシングシステム (Ultimus V、Nordson EFD) が使用されました。 G コードは、オープンソースの Slic3r パッケージのカスタマイズバージョンを使用して CAD データから自動的に生成され、複雑な構造のコアパッケージに大幅な変更が加えられました。トポロジー最適化を使用して、複雑な内部構造を持つ複合ソフトフィンを設計し、フィンの振動動作をシミュレートするように微調整しました。このソフトロボットは、設計と製造における 2 つの重要なステップ (i) TO を使用した複合構造の設計、および ii) 単一の製造センターでの複雑な構造の製造を自動化し、カスタマイズされたソフトロボット製造の開発を大幅に促進します。
△ソフトロボットの設計とトポロジー最適化。 A) ロボットのコンポーネント: 2 つのサーボ駆動フラップが胸びれを振動させます。内部のマイクロコントローラユニット、充電式バッテリー、誘導充電ユニットにより、完全な自律性が実現します。 B) レイ状のフィンの運動学と関連パラメータ。 C) 大きな胸鰭の模型（薄い灰色）。黒いフィン領域は埋め込まれたバッフルの位置を示し、赤いエッジは固定されており、青と緑のエッジはフィンの自由境界を表します。 D) さまざまな材料領域の初期設計と最適化された設計、および短い黒線で示される最適な繊維配向。 E) 初期誤差と反復回数に関して正規化されたターゲット z を最適化します。 F) シミュレーション (黒の曲線) と実験 (青の曲線) から得られた最善の設計の同位相 (実線) および異位相 (破線) のたわみと目標運動学 (赤の曲線) との比較。 G) シミュレーションから得られた、異なる時間における最適なフィン設計のスパンのたわみ (つまり、(C) の青いエッジ)、H) 実験から得られたスパンのフィンのたわみ。
この柔らかいロボットエイには、本物の生き物のように動くことができる大きなひれがあり、スラスター（ひれ）の変更により操縦性と推進力に大きな影響が及びます。各ソフトフィンには、サーボモーターで駆動される柔軟なバッフルが付いており、フィンの振動を励起します。このロボットにはオンボードの Arduino Uno マイクロコントローラーが搭載されており、充電式リチウム電池で駆動します。このモデルは長さ 180 mm、適度な浮力があり、プラチナ触媒シリコンポリマーを使用して完全にカプセル化されています。
△ソフトロボットの性能を評価するための実験装置。 A) ダウンストローク終了時の 3 つのフィン (フィン A、フィン D、複合フィン) の側面図のスナップショット。 B) 長さ120cm、幅120cm、深さ70cmの強化ガラス製水槽。 C) 力とトルクの測定のための実験セットアップの詳細。 D) 有効波長。
従来のソフトロボット製造方法と比較して、本研究で提案された統合製造プロセスは、人間の介入を少なくして最適化された材料特性分布を実現し、新しいレベルの複雑さで望ましいボディ運動学を生み出すことができます。自動化された材料混合プロセスを製造に組み込むことで、ツールの変更や材料の補充などの手動の手順を排除します。さらに作業を進めると、ワイヤーフレームまたはベクターのような印刷動作（方向性あり）を使用して、より統合された方法で E3DP ツールパスの自動 G コード生成が可能になります。 CAD データをツールパスやマシン制御プログラムに変換したり、解像度を上げたり、繊維密度を高めたり、フィンを改良したり、自動化を実装したりすることも可能です。
参考文献: Boddeti, N., Van Truong, T., Joseph, V., Stalin, T., Calais, T., Lee, S., Dunn, M. and Valdivia y Alvarado, P., 2021. アンダーアクチュエートソフトロボットに最適なソフト複合材料。Advanced Materials Technologies、p.2100361。参考アドレス: https://doi.org/10.1002/admt.202100361

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