當前軟材料、新的製備技術以及連續驅動的研究不斷取得新進展，為微型機器人的研究和發展帶來新的動能。微致動器用於處理精細的物體而不損害目標有一系列的應用。特別是，軟執行器已經被用於各種應用，如仿生機器，人工肌肉，醫療器械，和仿生夾持器。這些已經縮小到微/毫米大小，以滿足不同的應用需求。這種裝置還可用於需要精細操作的應用，如顯微外科手術或小規模生物樣本的研究。某些合金的形狀記憶效應因其工作密度高、驅動機制簡單而成為一種有前途的小尺度驅動機制。然而，對於亞毫米器件，形狀記憶合金作動器由於製作工藝的限制，難以實現複雜的大位移。
上海交通大學楊廣中教授提出了一種基於雙光子聚合的小型化柔性複合材料致動器的製作方案。變形模式可以通過改變支架層合的方向來改變。此外，驅動器是通過在驅動器內部沉積的碳納米管層的局部電阻加熱來控制的。微驅動器設計可產生390 N的力，實現高達80°的彎曲角度，並展示了使用單臂和雙臂裝置來提起與抓取物體的能力。該研究成果以「Microtentacle Actuators Based on Shape Memory Alloy Smart SoftComposite」為題發表在國際著名期刊Advanced Functional Materials上。
在基於海量SMA的軟機器人執行機構的開發中，研究了SMA嵌入複合材料結構，即智能軟複合材料(smart soft composite, SSC)，以實現更大的彎曲位移和更複雜的執行機構運動。將SMA線嵌入層壓複合材料結構中，具有更大的韌性，當複合材料具有定向力學性能時，可編程彎曲或彎曲扭轉運動。
本研究的目的是提出一種使用2PP（雙光子聚合）工藝製作小規模固態開關執行器的技術。通過採用宏觀尺度的結構設計，該幾何結構克服了目前基於智能器件的低驅動範圍和驅動靈活性。為了獲得致動器內部的局部電加熱效應，開發了一種基於碳納米管(CNT)的電阻層，它被應用於兩根SMA導線之間。執行機構只需要電連接，不需要連接到用於肌腱驅動或氣動驅動的笨重的直線通道上，從而減少了最終設備的佔地面積。
圖1 此項研究中微型軟碟機動器的設計原理與工作機制
為了驗證了該方法的優點，設計、製造具有毫米級的觸手致動器和集成軟,衛星機器觸手組成的兩個執行機構能夠把握毫米級的對象(圖1)。原理圖設計和微型觸手致動器的驅動機制如圖1所示。該SSC結構主要由兩部分組成:主動部分用SMA產生驅動，被動部分用主動部分驅動時產生彎曲和扭轉。這兩種成分通過聚二甲基矽氧烷(PDMS)基質緊密結合在一起，為結構提供了彈性。腳手架由多層組成，每一層由平行排列的多個框架組成。為產生出平面外彎曲運動，將SMA線埋入偏心位置。該支架具有各向異性的結構，旨在影響彎曲和扭轉運動。在溫度刺激下，SMA導線因SME而收縮，引起結構的彎曲運動。相反，當SMA線冷卻到馬氏體起始溫度以下時，由於複合結構的彈性，SMA線會向後伸長以恢復其初始狀態。由於SMA驅動機構不需要肌腱或通道來提供驅動能量，而只需要電線來進行焦耳加熱，因此可以大大簡化末端執行器的設計。
所述微致動器的製作過程如圖2a所示。製造過程包括四個主要步驟;列印支架，嵌入SMA導線，沉積CNT層，塗PDMS。
圖2-製備過程示意圖
第一步:列印支架:採用2PP工藝製作支架結構。單個框架的厚度為10希米，框架之間的距離也為10希米。SSC結構的框架方向可以在0度到90度之間變化。在支架上以中心距100像素列印兩個30像素的半圓切口。這為放置兩根SMA線提供了校準。列印支架的詳細尺寸也在圖2b中描述。
第二步:嵌入SMA絲:兩個SMA絲25m纖維直徑精心排列的半圓柱形凹槽圖案印刷腳手架和預應變張力掛10 g的重量最終線最大化驅動通過SME.。然後用聚醯亞胺膠帶將導線固定在襯底的外圍。將帶SMA線的列印結構裝入DLW印表機進行封面列印。將凹槽上的SMA線覆蓋上第二套2PP工藝印刷的塊，將其夾緊到位。
第三步:沉積CNT層:利用羧甲基纖維素(CMC)作為表面活性劑分散在水中的CNTs，實現兩根SMA導線間的折中連接。將整個觸鬚結構浸入CNT溶液中，然後慢慢取出。然後在環境條件下保持30分鐘乾燥。這導致塗層與SMA電線相比具有高電阻，可以承受高電流密度。
第四步:塗覆PDMS:將結構作為整體結構的基體材料，採用PDMS蘸塗的方式進行塗覆。PDMS將形狀記憶合金線和支架結構牢固地結合在一起，以防止CNT層與整個結構的分層。它還提供彈性和控制設備的剛度。
在本研究中，提出了一種製造軟體機器人的小型SSC結構的新方法。採用2PP工藝在微支架中嵌入SMA線和微米級的阻性碳納米管層，製備了柔性微致動器。支架的各向異性設計增強了機器人的變形行為，允許複雜的平面外驅動。夾具與對象交互的能力是由其偏轉距離與執行器長度的比較來定義的。通過引入SSC結構和由2PP實現的複雜模式，可以優化這個比例。
圖3-微驅動器操控物體的能力：可單臂提起物體，雙臂抓取並提起物體（物體重量80 mg）與抓取黃蜂，並不會對抓取物帶來任何的損傷
在本研究中，SMA絲通過3D列印技術直接嵌入預緊條件下的結構中，使SMA絲和SSC基體的應變最大，從而產生較大的彎曲變形。這種直接嵌入方法增加了致動器的變形能力，但由於採用了通過CNT層的間接加熱方法，從而降低了致動速度。因此，該驅動器的頻率比其他基於SMA的小型SMA驅動器要低，可以達到幾個kHz的驅動器速度。
在靈活性方面，基於形狀記憶合金的驅動器比其他小型機器人驅動機構，如氣動、壓電、光響應和化學響應方法的性能更低。但SMA驅動器的優勢在於形狀記憶合金提供了高的工作密度，可以提供足夠的力來有效地處理小物體。與其他驅動技術(如電場、氣動和熱基驅動方法)相比，本研究提出的裝置可以在不附加任何龐大通道的情況下，與其他類似長度的驅動器產生相似範圍的阻塞力。就可持續性而言，所提出的方法已證明能夠承受結構上的巨大破壞。此外，鎳鈦合金在一般情況下可以保持SME超過105個循環，而在其他研究中基於形狀記憶合金的軟執行器的循環試驗顯示，在數十個驅動循環中，其驅動性能沒有下降。
最後，展示了執行器在抓取和操縱小規模物體方面的性能。將軟致動器集成到機器人系統中可以為組織操縱深部病變提供潛在應用，用於顯微外科手術或處理小規模生物材料和細胞。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202002510