3D打印仿生人工肌肉--优雅的“GRACE”，一种基于几何结构来收缩和伸长的软体驱动器

来源：EngineeringForLife

尽管人工驱动器已经达到了肌肉的收缩性能，但肌肉的复杂排列所实现的运动的多样性和优雅性在很大程度上仍然是无可比拟的。传统的气动人工肌肉（PAMs）受限于组装的元件，本质上阻碍了小型化、非纺锤形结构的实现，不利于广泛定制和应用人工肌肉技术。

近日，意大利理工学院的Barbara Mazzolai团队开发了一种褶皱引导变形的气动人工肌肉，命名为基于几何结构来收缩和伸长的驱动器（GRACE）。GRACEs由单一材料的褶皱膜组成，不需要任何限制应变的元件。它们可以在不同的维度、材料及性能下，通过设计进行收缩和伸长，从而实现各种栩栩如生的运动。GRACEs可以通过低成本增材制造来制备，甚至可以直接一步构建功能设备，例如一个完全3D打印的气动机器人手（movie 1）。这使得基于气动人工肌肉的设备，原型设计和产品制造更快、更直接。相关工作以“3D-printed biomimetic artificial muscles using soft actuators that contract and elongate”为题，于2022年7月27日发表在《Science Robotic》上。

1. GRACE人工肌肉

图1 GRACE人工肌肉的概念

GRACEs是高效、方便和通用的人工肌肉（图1）。GRACE由一个曲线形状的薄壳组成，两端变窄，具有纵向工程褶皱。加压时，驱动器随着褶皱的展开，径向膨胀。减压时，褶皱折叠，导致径向收缩而纵向伸长。在GRACEs中，褶皱的曲线轮廓和整个驱动器的形状是关键。GRACEs的功能实现：驱动器结构的低应变几何转换。

图2 GRACE肌肉具有可调节的力输出和可扩展的尺寸

GRACEs表现出30%以上的冲程，负载/重量比可高达数千。通过设计最大限度的收缩、伸长或拮抗，利用不同的材料，可采用各种规模的低成本3D打印，也可内置在复杂设备中，实现复杂多样的运动（图2）。

2. 几何模型的建立

图3 GRACE多参数模型

首先，研究者通过纯几何学的方法，建立相应的几何模型，来研究褶皱的形状如何影响GRACE的行为。窄而深的褶皱可以促进收缩（GRACE-C），宽而浅的褶皱可以促进伸长（GRACE-E），而收缩和伸长均表现良好的褶皱拮抗性最好（GRACE-A）。通过有限元分析，确定合适的壁厚和材料。结构表明，只要使用更硬的材料或更厚的膜壁，就可以增加GRACEs的工作压力范围和由此产生的输出力。（图3）

3. 驱动性能的表征

图4 GRACE肌肉的表征和耐久性

接着，根据几何模型的模拟结果，研究者通过低成本桌面3D打印机和商业材料直接打印了不同的GRACE，并研究了其驱动性能（图4）。与骨骼肌相比，GRACEs表现出类似的变形和较低的力。本文所采用的打印材料具有光弹性，能够在驱动过程中，捕捉到物体应力应变分布产生的条纹图案，直观观察到产品结构中是否有应力残余，有利于研究GRACEs的制备工艺。1000次耐久性测试，均未观察到明显的损坏或永久形变，表明GRACEs能够轻松承受多个驱动周期。

4. 基于GRACE的“机器人手”

图5 基于GRACE的“气动机器人手”

  
最后，为了展示GRACE卓越的多功能性，研究者3D打印了一个完整的基于GRACE的气动机器人手（图5）。通过将GRACE进行串联、并联、对立配置、变换尺寸或是直接嵌入来展示各种平滑运动。该机器人手通过单一材料直接3D打印整体结构，无需组装，可随时气动驱动。

综上，与最先进的PAMs相比，GRACE的通用性更高，可设计性更强，可以一步到位地制造具有复杂驱动结构的设备，实现仿生运动。GRACEs的开发过程包括：建模、基于有限元分析的细化、增材制造，适合自动化大规模定制，允许根据需求直接生产不同的GRACEs。任何拥有桌面3D打印机的人都可以轻易开发基于GRACE的设计和设备。在未来的研究中，作者将进一步利用GRACEs来模仿动物王国中肌肉的排列变化，以实现生物启发机器的开发。

文章来源：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abn4155