Nature子刊:Facebook开发3D打印虚拟现实手套

3D打印快讯
2020
09/09
16:38
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2020年9月9日,南极熊获悉,Facebook虚拟现实实验室团队宣布开发出3D打印的虚拟现实(VR)手套。这套设备是与康奈尔大学的研究人员一起开发的,具有柔软的气动执行器,可以 "测量局部力 "并为用户提供 "触觉反馈"。
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研究人员的研究结果在他们发表在《自然-通讯》杂志上的题为 "3D printable tough silicone double networks"的论文中进行了详细介绍。该报告由Thomas J. Wallin、Leif-Erik Simonsen、Wenyang Pan、Kaiyang Wang、Emmanuel Giannelis、Robert F. Shepherd和Yiğit Mengüç共同撰写。

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△研究团队的3D打印手套可能会出现在Facebook即将举行的数字连接会议上,图片来自《nature communications》杂志

3D打印软机器人设备

与使用传统合成材料制造的装置相比,使用软质材料制造的装置具有固有的减震、负载管理和被动能量回收的优势。软组织在机器人中特别有用,它们的低模量和大的可延伸性使其能够创造出灵活的机器人,可以变形为几乎任何状态而不会破裂。

硅橡胶由于其耐热性和化学惰性,是制造软性机器人的理想材料。尽管如此,传统的制造工艺通常涉及注射成型,这种工艺只能用于制造简单的棱柱形状。最近也有研究使用液态硅材料作为挤出的3D打印油墨,但其改性的特性也削弱了其交联密度。

由于材料的强度降低,基于挤出的样品对悬空特征的打印保真度有限,导致它们在固化前出现坍塌。其他研究团队已经使用立体光刻技术(SLA)来生产带有液体树脂的零件,提供了更大的稳定性,但没有商业化的橡胶那样的韧性。

更重要的是,SLA的加工要求使用稳定、低粘度的树脂,这使得传统方法无法用于强化它们。作为一种替代策略,研究小组推测,创建双网络(DN),即两种聚合物材料,将提供一种强度更高的橡胶。

在该团队的新方法中,两个聚合物层具有不同的质量和功能。外层是脆性的,可以消散能量,而次要网络则保持完整,能够承受重负荷。利用他们的DN,研究人员提出,他们不仅可以与商业橡胶的强度质量相匹配,而且还可以将打印对象与其他基材粘合在一起。

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△研究人员通过大量评估测试了他们新材料的增强强度

该团队的双硅3D打印材料

为了创建他们的新材料,研究人员使用了一种硫醇烯有机硅配方作为基础,因为它具有低粘度、快速凝胶化和高反应转化的品质。相比之下,DN中的次要聚合物需要形成自己独特的网络,因此团队使用了Mold Max系列树脂,因为它们固有的韧性和刚性。

两阶段的组合过程中,橡胶依次形成了光固化的硫醇烯有机硅和机械坚固的冷凝固化有机硅。随后的红外光谱测试表明,两个网络的相对质量分数可以调整树脂的打印性和机械性能。

利用四种不同的锡基橡胶材料,该团队随后尝试改变其DN中的基础材料,以调整其机械特性。

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△未来,研究团队的新型3D打印硅胶除了可穿戴设备外,还可以用来制作手术模型

出现了类似的可打印混合物体系,每种混合物都具有足够低的粘度,以实现SLA 3D打印。锡基材料通过提供更高的强度,往往在混合物中占主导地位,而集成弹性体通过不同的交联密度提供了更多可定制的性能。为了展示他们的新型聚合物网络在手术模型中的应用,该团队随后创建了一个中空的3D打印心脏。

虽然心脏复制品无法完全复制自然组织的复杂机械性能,但它确实拥有与生物对应物相似的弹性模量。因此,联合团队的硅胶未来可以被实习外科医生部署用于实践程序。结合DN的弹性和强度,该团队还可以创建一个带有四个3D打印气动执行器的矫形手套。

该装置不仅可以进行灵巧的操作,而且粘合的结构在超过10个月的使用过程中,可以持续承受数百次的运动循环。根据该团队的说法,他们的手套已被证明是如此坚固,以至于其软执行器可以集成到其他服装中,产生了一种新型的可穿戴软机器人设备。

Facebook Connect还有一周就要推出了,该团队在软性机器人技术方面的及时进步,可能还将在未来的VR中发挥作用。

软机器人技术和快速成型制造

近年来,一些机构的研究人员尝试了3D打印软机器人技术,产生了各种形状和尺寸的增材制造创新。

来自瑞典林雪平大学的一个研究团队使用定制的基于挤出的3D打印机制造了一套用于软微型机器人的微型致动器。这些致动器包含一种电活性聚合物,一旦受到电荷的刺激就会改变形状。

来自加州大学圣地亚哥分校的科学家们利用3D打印技术制造了灵活的、行走的 "昆虫 "状机器人。该团队以预算为导向的生产技术,旨在降低制造软性机器人的入门成本。

来自浙江工业大学、天津大学、南京工业大学和立命馆大学的研究人员,已经3D打印出了一个柔软的机器人手指。该设备使用嵌入式电极传感器进行操作,这意味着它不需要外部电源。







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