江蘇雷射聯盟導讀：
軟機器人技術是一個不斷發展的研究領域，其重點是用高順應性材料製造無馬達機器人。軟機器人技術在各種領域中都具有很高的潛力，例如軟夾具、執行器和生物醫學設備。軟機器人的3D列印提出了一種新穎而有前途的方法，可以直接從數字設計中形成具有複雜結構的對象。在此，來自以色列耶路撒冷希伯來大學的研究人員總結了用於軟機器人3D列印的材料領域的最新進展。
受自然和生物體啟發的軟機器人是由柔性、柔軟的材料製成的機器人，與堅固型機器人不同，它們是沒有馬達的。軟機器人技術主要基於材料科學，可以通過多種機制執行，例如氣動、靜電、熱激活和磁驅動。由於它們的柔韌性，這些軟機器人可以執行精確和連續的運動，例如抓住易碎的物體或在不同環境下在各種基板上向前移動。最佳的軟機器人設備應由三部分組成：i）執行器，無電動機的組件，是設備最重要的部分，負責執行運動；ii）傳感器，它可以提供信息，例如致動器的位置和與表面接觸時遇到的壓力；iii）使用傳感器生成的信息來精確調節和增強動態性能的控制系統。
近年來，已經報導了通過3D列印技術製造軟機器人的情況，在軟機器人領域，增材製造的用途多種多樣，包括各種印刷方法和材料的利用。在早期的研究中，最方便的使用是基於仿品成型，其中3D列印用於製造剛性模具，然後在這些模具中澆鑄柔性彈性體。例如，使用FDM，通過由ABS塑料組成的3D列印模具製造軟氣動執行器，然後進行兩步鑄造程序。首先，將預聚物澆鑄到模具上，而不是將其完全覆蓋，然後在卸下模具時獲得明通道結構。第二，將明渠結構粘合到平坦的膜上，然後將整個設備後固化。3D列印軟機器人技術發展的下一步是分別列印由柔性或智能材料組成的部件，並將它們機械組裝在一起以形成軟機器人。
如今，增材製造已成為軟機器人領域中完全集成的製造過程。儘管如此，如圖1所示，在全印刷的軟機器人的製造中仍然存在一些挑戰。這些挑戰可以分為兩大類：i）搜索和開發軟機器人列印所需的高性能材料 ii）開發新的列印功能，從而一步一步地製造軟機器人。
圖1. 軟機器人3D列印的未來挑戰
在過去的幾年中，我們看到了許多3D列印技術的開發工作，這些工作主要集中在列印技術上，包括新型印表機的發明和對現有印表機的改進。然而，適用於3D列印的商業材料的種類仍然有限，並且相對昂貴。就機械性能而言，大多數都只有基本的材料特性，例如柔韌性、可拉伸性、韌性和熱穩定性。因此，真正需要開發性能和功能得到改善的高性能材料。對於軟機器人的製造，非常需要開發具有適當的可拉伸性和柔韌性的新材料，以實現細膩且可重複的運動，具有可以執行可逆驅動力的形狀記憶能力，以及可以克服物體內部斷裂。
高性能材料
1. 柔性和可拉伸材料
構成軟機器人的材料必須是柔性的和可拉伸的，以使其能夠在不斷裂、吱吱作響或破裂的情況下進行精細和顯著的運動。使用DLP印表機可以進行高解析度列印，從而形成幾何複雜的結構以及由三個氣動「臂」組成的抓爪（如下圖所示）。
圖2. 夾爪和由柔性和可拉伸材料組成的傳感器：a）PU基聚合物。b）基於PDMS的聚合物。c）基於水凝膠的抓手。d）基於水凝膠的應力傳感器。右下角的圖像演示了自我修復的傳感器。
2. 水凝膠
另一類柔軟和可拉伸的材料是水凝膠，它是能夠吸收大量水的親水聚合物，並且是用於柔性和可拉伸聚合物的3D印刷的新興材料。水凝膠適用於製造軟機器人設備，前提是整體機械性能能夠在不破壞結構的情況下驅動。水凝膠的獨特之處在於其與水的相容性，以及對溼度和各種水環境的響應能力。水凝膠具有高粘性，可通過幾種技術印刷，主要是DIW印刷，這使得它們適用於3D列印軟機器人。水凝膠也可以用SLA印刷，其使用可光固化水凝膠單體具有更好的解析度。雖然後一種方法不太常見，儘管由於缺乏高效的水溶性光引發劑，但目前的研究一家展示了一些由SLA印刷的軟機器人設備。迄今為止，製造水凝膠基軟機器人最廣泛使用的材料是聚丙烯醯胺，聚（N-異丙基丙烯醯胺）(PNIPAm)，透明質酸、殼聚糖和藻酸鹽。
由於水凝膠的生物相容性，它被廣泛應用於生物醫學領域，如植入和藥物輸送。（研究人員預計基於水凝膠的軟機器人裝置將在該領域找到更多的應用，主要是在手術過程中製造用於軟組織的外科抓緊器，例如腹腔鏡胰腺手術。
列印功能
接下來我們設想，軟機器人領域的主要未來目標是通過簡單的一步過程進行設備製造，而不需要後處理以及組件組裝和集成。這包括一次製造整個機器人，包括電源，執行器，傳感器等。這個目標是非常具有挑戰性的，我們希望可以通過3D列印來實現。但是，當前在多材料列印和列印嵌入式功能組件方面的3D列印過程仍然受到限制，並且需要在硬體和材料上進行進一步的開發。
1. 多材料印刷
將各種材料組合在一個物體中的能力對於製造軟機器人非常重要。這種方法能夠獲得高度複雜的物體，例如具有柔軟和剛性區域的機器人或者具有由功能材料組成的區域和僅提供設備骨架的區域的機器人。基於擠壓的方法，即FDM和DIW，是通過添加一個噴嘴或一組噴嘴來擠壓其他材料來結合多材料印刷的最簡單的方法。有多種帶有兩個或更多噴嘴的商用FDM印表機，可以同時列印少量材料。除了材料的多樣性之外，印刷速度也相對較快，切換材料的頻率也很高。這使得能夠對3D對象中不同材料的位置進行高精度控制。研究人員用堅硬和柔韌的材料印刷了兩種結構——一種摺紙形狀和一種氣動機器人行走器。
▲多種材料列印結構的示例：a）磁輔助DIW列印。b）使用Polyjet技術印刷在柔性矩陣中的數字SMP。c）使用DLP印表機列印的多材料SMP兩蓋盒。d）對3D對象進行多材料和空間控制（MASC）DLP列印，該3D對象由基於丙烯酸酯的柔性水凝膠以及由環氧和丙烯酸酯水凝膠組成的剛性混合物（比例尺為12mm）組成。
2. 嵌入式電子設備
通過一步3D列印工藝製造電子設備，如電池、傳感器、執行器或電容器，對於軟機器人來說非常重要。將電子控制和能源嵌入柔性/可拉伸3D物體的能力是全印刷軟機器人發展的一個關鍵特徵和重要步驟。為了使印刷嵌入式電子產品可行，適用於3D印刷的導電油墨是關鍵要求。
▲嵌入式電子設備的示例：a）DIW在氣動執行器頂部印刷的多材料傳感器。b）嵌入手套中的DIW列印傳感器。c）SLA印刷空心傳感器。
3. 不受束縛的自主機器人
不受束縛的自主設備代表了軟機器人領域的新進展。這些設備由電池或小型泵系統驅動，這些電池或小型泵系統連接到機器人的身體，而不是連接到外部電源（例如電源或大型泵）。這些機器人可以避免布線，也不會被束縛在某個地方。然而，它們的製造，特別是當它們由軟質材料構成時，具有挑戰性，因為它們需要攜帶剛性且沉重的組件，例如電池、泵、電動機或電路板。關於無束縛的軟機器人的報導很少，其具有多種致動機制，包括燃燒、氣動、流體、離子、磁性、熱或使用電動機。儘管某些報告的設備未進行3D列印，但仍有部分或全部3D列印的無束縛和自主機器人的示例。
作者介紹
▲Ela Sachyani Keneth是以色列耶路撒冷希伯來大學卡薩利應用化學中心，化學研究所和納米科學與納米技術中心的博士生。她的研究專注於製造用於軟機器人的柔性印刷執行器。
▲Alexander Kamyshny是以色列耶路撒冷希伯來大學化學研究所的高級研究員。他的研究專注於納米材料的合成和應用，尤其是無機納米顆粒及其在印刷電子領域的利用。
▲Shlomo Magdassi是以色列耶路撒冷希伯來大學化學研究所的教授。他的研究專注於微米和納米顆粒在各種領域（包括2D，3D和4D列印）的形成，配製和應用。除了學術研究，他的一些研究成果還導致了產業活動，例如全球銷售和建立新公司。目前，他是希伯來大學功能和3D列印中心的負責人。