来源：Hydrogel
软机器人，由自然和活生物体的启发，是由柔性的，柔软的材料机器人，是无电机，不像硬体健壮机器人。软机器人科技是一个不断发展的研究领域，其重点是由高顺应性材料构建无电机机器人，其中一些类似于在生物体中发现的机器人。软机器人科技在各种领域中都具有很高的潜力，例如软夹具，致动器和生物医学设备。软机器人主要是基于材料科学，并且可以通过多种机制，例如气动执行，静电，热活化，和磁致动。由于其柔性性质，这些软机器人可以执行细腻，精确和连续运动，如抓易碎物体或在不同的环境中在各种基材上向前移动。最佳的软机器人设备应由三个组件组成：i）执行器，无电机组件，是设备最重要的部分，负责执行运动；ii）传感器，它可以提供信息，例如致动器的位置和与表面接触时遇到的压力；iii）使用传感器生成的信息来精确调节和增强动态性能的控制系统。
软机器人的3D打印提出了一种新颖而有前途的方法，可以直接从数字设计中形成具有复杂结构的对象。最近，以色列耶路撒冷希伯来大学Shlomo Magdassi教授团队总结了用于软机器人3D打印材料领域的最新进展，包括高性能的柔性和可拉伸材料，水凝胶，自修复材料和形状记忆聚合物，以及全印刷机器人的制造（多-物料印刷，嵌入式电子产品，无束缚和自主机器人技术）。介绍了3D打印软机器人制造中的当前挑战，包括可用的材料和打印能力，并对应对这些挑战的近期活动进行了调查。相关论文3D Printing Materials for Soft Robotics发表在11月《Advanced Materials》期刊上。
1.引言
可以使用多种材料和复合材料构建软机器人（在基于软材料的常规系统中甚至更多），这些材料和复合材料具有非常不同的机械性能，从流体（即液态金属等）和水凝胶到坚硬的固体（即，丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS），环氧树脂等）。
软机器人设计中最常用的材料是基于硅的弹性体，例如聚二甲基硅氧烷（PDMS）。它们被用作在气动致动器的柔性材料，在磁性致动器，和在电驱动致动器，以及，通常连同导电层，通常是基于碳的材料。此外，其它柔性聚合物如聚酰亚胺，聚氨酯（PU），或水凝胶。到目前为止，大多数设备是通过浇铸或模制液态单体，然后通过紫外线或热硬化来制造的。
3D打印是一种增材制造技术，其中一层一层地沉积所需的材料以形成3D对象，也就是说，它是顺序的2D打印。与减法制造方法相比，3D打印的主要优点是过程简单并且能够形成复杂的空心结构。如各种审阅报告中所述，有多种3D打印技术可通过商业途径获得。因此，我们将在此介绍只有打印技术，最相关的软机器人技术，所有这些都基于其在印刷过程是液体油墨组合物的一个简要说明。
图1 软机器人3D打印的未来挑战。从左至右：柔性和可拉伸材料的图像
最广泛使用的方法是基于材料的挤出，称为熔融沉积成型（FDM）和直接墨迹（DIW）。这两种方法都依赖于通过喷嘴挤出到衬底上的材料，以及由不同的材料被使用，在喷嘴的性质，和固定机构。在FDM中，热塑性长丝通过加热的喷嘴挤出，然后在基材上冷却后固化，以形成固体2D层。该技术简单且不昂贵，但是限于热塑性聚合物并且具有相对较低的分辨率。在DIW中，粘性液体或糊剂通过喷嘴挤出。这种方法是完全开放源码的，因此它可以被定制，以任何需要的材料。所需要的是形成可以通过喷嘴挤出或喷射的材料组合物，只要沉积的材料可以快速固化。该过程可以用具有不同材料的多个喷嘴进行，并且沉积可以在液体中进行，如用于人工印刷所证明的。固化可能是由于紫外线照射，溶剂的快速蒸发或与印刷平台接触后立即冻结而引起的。与FDM相似，此方法的分辨率也较低。相关的软机器人其他两个三维印刷方法是立体光刻（SLA）和的PolyJet技术。SLA方法，也称为聚合缸中，基于局部光聚合填充光固化性树脂的桶内的凝固，一层一层，在暴露于UV辐射。光源可以是激光（包括用于双光子聚合（TPP）的激光）和数字光处理（DLP）投影仪。目前，SLA的特点是可实现的最佳分辨率，并且可用于多种材料。Polyjet技术还使用了可光固化的墨水，尽管代替了大桶，而是通过喷墨打印头逐层喷射墨水，然后对每个沉积层进行紫外线照射。这种方法可以用几个打印头同时进行打印，因此可以将各种材料一起打印。这将导致一个由多种材料（也称为“数字材料”）组成的3D对象，其中可以在同一体素上沉积不同的材料，这将在第3节中进一步讨论。
如今，增材制造已成为软机器人领域中完全集成的制造过程。然而，如图 1所示，在全印刷的软机器人的制造中仍然存在一些挑战。这些挑战可分为两大类：i）搜索和开发软机器人打印所需的高性能材料；ii）开发新的打印能力，从而一步一步地制造软机器人。
2高性能材料
2.1柔性和可拉伸材料
包含软机器人的材料必须具有柔韧性和可拉伸性，以使其能够执行细腻而独特的运动，而不会破裂，折断或破裂。
Patel等开发了一种用于聚氨酯胶粘剂DLP印刷的PU丙烯酸酯基树脂，该树脂由环氧脂族丙烯酸酯（EEA），用交联剂稀释的丙烯酸异冰片酯稀释的脂族氨基甲酸酯二丙烯酸酯（AUD）和光引发剂组成。作者研究了EEA和AUD之间的比率对材料的各种机械性能的影响：杨氏模量，伸长率和韧性。结果表明，添加AUD可提高所有机械性能，包括延伸率达到1100％左右。该值是市售UV弹性体的约五倍。此外，使用DLP打印机可实现高分辨率打印，从而形成几何复杂的结构以及由三个气动“臂”组成的抓取器（图 2a）。
图2夹爪和由柔性和可拉伸材料组成的传感器
Thrasher等报告了另一种基于PDMS的印刷夹具的方法。使用带有白色光源的DLP打印机。硅酮油墨主要由合成的聚二甲基硅氧烷二甲基丙烯酰胺低聚物和丙烯酸2-羟乙酯（HEA）组成。取决于油墨成分，可达到的伸长率在51-338％的范围内。作者开发了另外两种墨水，其中一种伸长率最高，达到472％，由HEA和2-（2-乙氧基乙氧基）丙烯酸乙酯组成，另一种水凝胶墨水主要由HEA组成，伸长率为348％。作者展示了这些材料用于软机器人的方法，该方法通过使用大桶替换方法，对由三种不同材料组成的柔性抓手（图2b） 进行多材料印刷 。
另一类柔软且可拉伸的材料是水凝胶，其是能够吸收大量水的亲水性聚合物，并且属于用于3D打印柔性和可拉伸聚合物的新兴材料。水凝胶适用于软机器人设备的制造，条件是整体机械性能能够在不破坏结构的情况下进行驱动。水凝胶的独特之处在于它们与水的相容性以及响应湿度和各种水性环境而致动的能力。水凝胶是通过多种技术，主要是DIW印刷，高粘性和可打印的这使其适用于3D打印软机器人。水凝胶也可通过SLA印刷，其具有使用光固化水凝胶的单体更好的分辨率。尽管后一种方法不太常见，但由于缺少高效的水溶性光引发剂，SLA印刷了一些软机器人设备。迄今为止，最广泛使用的材料的水凝胶基软机器人的制造是聚丙烯酰胺，聚（-isopropylacrylamide）（PNIPAM），透明质酸，脱乙酰壳多糖和藻酸盐。
郑等印刷了由离子浓度变化触发的基于多种材料的水凝胶致动器。致动器具有由两种不同的水凝胶组成的双层结构。当浸入浓盐溶液中时，每种水凝胶的反应都不同。一种水凝胶收缩，而另一种则没有改变其体积。响应性的这种不匹配导致了驱动，这在印刷夹具的制造中得到了证明（图 2c）。
2.2软机器人中的自我修复
用于软机器人的重要性质是SH，其是材料的愈合结构损坏并恢复其特性的能力，并且因此可以大大有助于印刷软机器人装置的耐久性和可靠性。导致各种材料发生SH的机理多种多样，包括动态共价交联（可能断裂并重新形成的键），氢键，离子键，超分子相互作用和疏水键。关于3D可打印SH软机器人的报道很少，其中大多数是基于水凝胶的。
Highley等人提出了一种独特的3D打印方法。其中SH水凝胶被用作辅助介质，以辅助DIW不能“固定”自身的材料。将剪切稀化的水凝胶油墨印刷到具有由透明质酸改性的具有SH功能的水凝胶中（图 3a）。支撑水凝胶的SH特性使其能够在印刷过程中变形，并在印刷结构周围重塑和愈合。
图3 自我修复行为的应用。
2.3形状记忆致动器
SMP是可以“记住”其初始形状的智能材料，被广泛用作致动器，被认为是软机器人设备的主要组件。一旦将这些材料手动变形为临时形状，它们就可以在触发某些条件后恢复其初始形状。
毛等制造（通过多喷射印刷），由SMP，弹性体和水凝胶组成的设备。水凝胶被限制在SMP层和弹性体层之间（图 4）。该装置的受限结构将水凝胶的固有各向同性膨胀转化为X-Y的弯曲运动飞机。循环的可逆性归因于由热引起的形状记忆效应和由浸入水中引起的水凝胶溶胀。
图4 3D可打印可逆SMP执行器的示例
3.全打印机器人的打印能力
3.1多种材料印刷
基于挤出的方法（即FDM和DIW）是最简单的方法，可以通过添加挤出其他材料的喷嘴或喷嘴阵列来实现多材料打印。有两种带有两个或更多喷嘴的商业FDM打印机，可以一次打印很少的材料。Kokkinis等使用配备有四个打印头的打印机（可将磁性颗粒定向到每个印刷层中的磁铁）和光固化单元，使用带有和不带有各向异性磁性颗粒的基于PU丙烯酸酯的软机械紧固件进行印刷（图 5a）。Wu等也使用polyjet制造SMP执行器，方法是将两种具有不同T g的SMP组合印刷，并将其嵌入柔性矩阵中。这种方法导致设备在恢复过程中具有多个临时形状，同时温度逐渐升高（图 5b）。
图5 多材料打印结构的示例
Ge和Sachyani Keneth等使用大桶替换方法来打印带有两个SMP的3D执行器，每个SMP具有不同的转变温度，以制造具有不同部件的对象，这些部件可以通过在不同温度下激活而移动。第一份报告介绍了一种在不同温度下都可以打开叶子的花朵，第二份报告提供了一个在一个温度下可以打开，在另一个温度下可以关闭的双盖盒子（图 5c）。
3.2嵌入式电子
通过一步3D打印过程来制造电池，传感器，致动器或电容器之类的电子设备，对于软机器人来说至关重要。在柔性/可拉伸的3D对象中嵌入电子控制和能源的能力是一项关键功能，也是向全印制软机器人发展的重要一步。为了使印刷的嵌入式电子设备可行，适用于3D打印的导电油墨是关键要求。
最近，Robinson等人在气动致动器的顶部上印刷了电容式传感器，以进行触觉和动觉感测。传感器由嵌入非导电有机硅弹性体中的导电水凝胶层组成（图 6a）。该报告展示了DIW在将两个重要功能集成在同一软机器人设备中的优势，即促动和传感。报告了其他一些用于印刷嵌入式电子产品的独特方法。
图6 嵌入式电子设备的示例
4展望
从该概述可知，3D打印已成为制造软机器人的一种常用且广泛使用的技术，它能够以相对简单的方式形成复杂的结构。可以通过多种3D打印技术制造软机器人，并使用越来越多的可用材料进行商业化和自行开发。
但是，仍然存在涉及开发适合各种印刷技术的材料的挑战，这些材料能够在不进行印后组装的情况下实现功能齐全的软机器人设备的印刷。希望针对柔性和可拉伸材料，可逆SMP和SH特性的进一步研究将导致软机器人技术取得重大进展。此外，还需要进一步发展印刷技术，主要用于多材料印刷和印刷嵌入式电子产品。
该领域的未来目标是相继制造出可以立即激活的全印刷机器人，而无需连接布线或组装零件。这将包括打印电源，例如电池，泵或燃料电池以及任何其他需要的组件，以及使用一台打印机一次打印机器人所有不同部分（即执行器，传感器和控制系统）的能力。
参考文献：
doi.org/10.1002/adma.202003387
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