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機(jī)器人的骨架能像昆蟲那般靈活、健壯嗎？這個(gè)問(wèn)題一直困擾著研究人員。

以往，要么制作工藝太過(guò)復(fù)雜，耗的時(shí)間長(zhǎng)；要么就是材料設(shè)備臺(tái)太過(guò)于昂貴，始終沒(méi)有找到一個(gè)合適的方法。

而最近，在《Soft robotics》雜志上介紹了這樣一種研究，主要核心技術(shù)叫做“flexoskeleton”（柔性骨架），研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自加州大學(xué)圣地亞哥分校。

這項(xiàng)技術(shù)不僅可以由專家使用，新手也同樣可以使用，制作工藝十分簡(jiǎn)單，材料和設(shè)備成本也十分便宜，非常適合大量生產(chǎn)并且投放市場(chǎng)。

這也是研究團(tuán)隊(duì)所希望的。

研究團(tuán)隊(duì)中機(jī)械工程教授Nick Gravish表示，我們希望使軟機(jī)器人更易于為全世界的研究人員建造。

接著，我們就來(lái)好好了解一下這個(gè)機(jī)器人到底是什么回事。

最大亮點(diǎn)：“柔性骨架”打印

此次研究最大的亮點(diǎn)莫過(guò)于是“flexoskeleton”（柔性骨架）技術(shù)了。

以往軟機(jī)器人的制作思路是，如何將軟性材料添加到剛性機(jī)器人的主體當(dāng)中。

而此次構(gòu)建，則是從軟主體入手，然后在關(guān)鍵組建中添加剛性特征。

這種結(jié)構(gòu)的靈感來(lái)自于昆蟲的外骨骼結(jié)構(gòu)。

我們知道昆蟲的外骨骼，承擔(dān)著多種功能，其中包括結(jié)構(gòu)支持、身體保護(hù)，靈活性，以及感知、抓取和黏附外部表面等。

而有如螳螂這種節(jié)肢動(dòng)物的外骨骼，還是一種由肌肉傳遞力量到四肢的機(jī)械傳動(dòng)裝置。其中剛性材料與軟組織結(jié)合在一個(gè)復(fù)雜的三維空間里。

基于這樣的啟發(fā)，他們就研究出了一種混合剛?cè)嵝约鎮(zhèn)涞臋C(jī)器人組件。

此次柔性骨架打印，是以標(biāo)準(zhǔn)的熔敷沉積建模（FDM）方法3D打印。

在標(biāo)準(zhǔn)的消費(fèi)級(jí)FDM打印機(jī)中，將ABS或PLA等塑料長(zhǎng)絲從加熱噴嘴的孔中擠出，并沉積在平面打印表面。

此外，還將一聚碳酸酯（PC）薄層粘在我們直接打印的加熱床上。

通過(guò)加熱聚碳酸酯，就能夠在3D打印材料和基層之間實(shí)現(xiàn)非常強(qiáng)的粘附，這使得在標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)級(jí)FDM打印機(jī)上打印彈性柔性結(jié)構(gòu)成為可能。

接著，就需要設(shè)置床層溫度在80℃-100℃之間，一旦床層溫度穩(wěn)定，打印過(guò)程就開(kāi)始了。

FDM打印中有一個(gè)常見(jiàn)的控制變量是打印噴嘴與第一層打印層的床層高度之間的Z向偏移量。

為了讓第一個(gè)沉積層與PC層實(shí)現(xiàn)緊密接觸，并為良好的結(jié)合創(chuàng)造足夠的接觸壓力，他們?cè)O(shè)置了一個(gè)相對(duì)較小的z偏置，在0.01 - 0.03毫米之間。

打印完成后，進(jìn)行床層冷卻，剝離PC層。隨后用剪刀或者剃刀等道具手工修建PC層。

這說(shuō)明，我們的研究者手工也要做的好。(狗頭)

但是文章中也提到，未來(lái)的柔性骨骼工藝可能會(huì)集成使用乙烯基刀具或激光刀具的PC膜的自動(dòng)預(yù)切割。

ABS/PLA打印材料，對(duì)PC的粘附強(qiáng)度都與熱床溫度有很強(qiáng)的相關(guān)性，其剝離強(qiáng)度峰值都出現(xiàn)在了90℃-100℃之間。

他們?yōu)榇诉€做了演示更直觀的了解了這兩種材料的剝離強(qiáng)度。

他們發(fā)現(xiàn)，PC膜具有較高的抗彎回彈性，因此PC基層作為一個(gè)抗拉保護(hù)層，這樣的柔性骨骼部件可以克服疲勞和故障。

研究了這一骨架打印的可行性，接著就來(lái)探究如何調(diào)節(jié)打印層的形態(tài)特征，以控制彎曲性能。

他們從控制關(guān)節(jié)剛度以及研究關(guān)節(jié)活動(dòng)限制范圍兩個(gè)方面出發(fā)，設(shè)計(jì)了一個(gè)由兩個(gè)屈曲關(guān)節(jié)組成的屈曲骨架腿:一個(gè)屈曲關(guān)節(jié)用于肢體收縮，一個(gè)伸展關(guān)節(jié)用于肢體抬起腳尖。

對(duì)于每個(gè)關(guān)節(jié)，我們規(guī)定了被動(dòng)關(guān)節(jié)剛度和關(guān)節(jié)屈伸極限，并使用單個(gè)肌腱驅(qū)動(dòng)兩個(gè)關(guān)節(jié)，將其置于屈伸關(guān)節(jié)之上，屈伸關(guān)節(jié)之下。

當(dāng)跟腱松解時(shí)，腳趾和跟腱的不對(duì)稱摩擦導(dǎo)致腳產(chǎn)生對(duì)地面的推動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而通過(guò)單一跟腱實(shí)現(xiàn)滯后的足部運(yùn)動(dòng)。

制作機(jī)器人

骨架構(gòu)建成功以后，接著就開(kāi)始做機(jī)器人啦！

該機(jī)器人直接使用flexoskeleton打印的四肢和底盤，并由四個(gè)微伺服驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行組裝。

每個(gè)肢體然后被插入機(jī)器人底盤(身體)，并通過(guò)絞盤和肌腱與一個(gè)微型伺服系統(tǒng)(Tower Pro SG92R)連接。

前肢和后肢之間扭轉(zhuǎn)屈伸關(guān)節(jié)的剛度，以改變劃水方向。

此外，這個(gè)機(jī)器人還擁有一個(gè)“即插即用”的假肢設(shè)計(jì)，這樣能夠快速地更換任何機(jī)器人假肢，以適應(yīng)不同的地形。

研究團(tuán)隊(duì)最終目標(biāo)，就是創(chuàng)建一條無(wú)需手工組裝即可打印整個(gè)柔性骨架機(jī)器人的裝配線。

這些許多小型機(jī)器人可以單獨(dú)完成一個(gè)大型機(jī)器人的工作，甚至更多。

1989年，iRobot聯(lián)合創(chuàng)始人羅德尼·布魯克斯提出了太空任務(wù)，說(shuō)其中應(yīng)包括“ 大量批量生產(chǎn)的簡(jiǎn)單自動(dòng)機(jī)器人，按今天的標(biāo)準(zhǔn)，這些機(jī)器人很小。”

現(xiàn)在對(duì)于Nick Gravish來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究是朝著這個(gè)方向邁出的一步，但是是對(duì)于整個(gè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，而不僅僅是太空領(lǐng)域。