天津大學(xué)左思洋、劉建彬課題組研發(fā)3D打印“人工肌肉”

來源：光明日?qǐng)?bào)

一只靈巧的尺蠖，牢牢地抓住圓形管，一伸一縮中蜿蜒前行，事實(shí)上，這只靈活的尺蠖是一款采用了天津大學(xué)研發(fā)的一種新型模塊化柔性驅(qū)動(dòng)方法，用3D打印機(jī)直接“打印”出來的軟性機(jī)器人。軟性機(jī)器人因其較高的柔性和對(duì)人體安全等優(yōu)點(diǎn)，在近幾年得到了持續(xù)廣泛的關(guān)注。而3D打印的優(yōu)勢就是制造復(fù)雜形體、復(fù)雜結(jié)構(gòu)而且不需要后續(xù)加工，可一次成型。

打印免組裝結(jié)構(gòu)，是3D打印技術(shù)制造軟性機(jī)器人近年來一個(gè)比較典型的應(yīng)用。近日，天津大學(xué)左思洋、劉建彬課題組提出了一種基于薄膜氣缸的新型模塊化柔性驅(qū)動(dòng)方法，并通過根據(jù)具體應(yīng)用改變排列組合方式以及合理布置連接方案，將其應(yīng)用于人工肌肉和管道爬行機(jī)器人中。

該方法基于一次3D打印成型的制造技術(shù)，省掉了傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備加工制造中的裝配流程，大幅降低了驅(qū)動(dòng)模塊的制造成本和周期，且具備耗氣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)高、可靠性高、對(duì)應(yīng)用場景適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

該成果2021年1月初在線發(fā)表在《美國電氣電子工程師學(xué)會(huì)機(jī)器人和自動(dòng)化快報(bào)（ IEEE Robotics and Automation Letters）》上。

△基于薄膜氣缸的新型氣動(dòng)人工肌肉設(shè)計(jì)理念及其應(yīng)用場景

“每一個(gè)薄膜氣缸就好比人體的一小塊肌肉，或者爬蟲的一個(gè)‘節(jié)’，只不過是用熱塑性聚氨酯材料做的�！眲⒔ū蚪忉屨f，采用這種新型薄膜氣缸結(jié)構(gòu)是團(tuán)隊(duì)的“奇思妙想”。

如果把這個(gè)結(jié)構(gòu)比喻成一個(gè)基本的肌肉單元，那根據(jù)不同的應(yīng)用需求再對(duì)這些單元的連接方式進(jìn)行排列組合和布局連接，就像是把一個(gè)個(gè)的肌肉單元連接起來形成一整塊肌肉，然后再應(yīng)用于不同場景，而整塊“肌肉”的制造過程則采用了3D打印技術(shù)，一次成型。

基于此創(chuàng)意，課題組首先提出了一種新型氣動(dòng)人工肌肉，可應(yīng)用于柔性外骨骼等人機(jī)交互裝備的驅(qū)動(dòng)中。氣動(dòng)即以壓縮空氣為動(dòng)力源，帶動(dòng)機(jī)械完成伸縮或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

與傳統(tǒng)氣動(dòng)人工肌肉相比，該設(shè)計(jì)最突出的特點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生厚度方向的膨脹，從而避免了對(duì)人體的擠壓。

△基于薄膜氣缸的管道爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)理念

此外，課題組還提出了一種新型氣動(dòng)管道爬行機(jī)器人，可應(yīng)用于工業(yè)管道設(shè)施的檢查和實(shí)時(shí)監(jiān)控。該管道爬行機(jī)器人采用仿生尺蠖原理，通過巧妙布置薄膜氣缸單元之間的連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)、外壁面爬行。

柔性驅(qū)動(dòng)方式的應(yīng)用使該機(jī)器人能夠適應(yīng)大范圍管道直徑的變化，并可應(yīng)對(duì)直管、彎管、豎管、水平管以及各種角度傾斜管應(yīng)用場景，同時(shí)機(jī)器人可承受自重80倍以上負(fù)載。

因?yàn)椴捎昧藲鈩?dòng)的方法驅(qū)動(dòng)，軟性機(jī)器人只能拖著長長的氣管尾巴工作。如果將傳感器集成到設(shè)備中，也就能去掉這些氣管尾巴，使機(jī)器人更獨(dú)立精致。這也是科學(xué)家們未來的努力方向。