树脂捕捉器 3D打印，最新Nature！
自然生物以其高效、灵活和适应各种环境的能力为工程师提供了巨大的灵感。 然而，传统的制造方法限制了硬软系统的复杂性和多样性，特别是在引入柔性元件和复杂结构时。 目前的3D打印技术，如直接墨水书写（DIW）和传统的3D喷墨打印方法，在分辨率、速度、材料选择和软硬结合方面都存在局限性。 这些限制阻碍了复杂的多材料系统和机器人的设计和制造。
2023 年 11 月 15 日，苏黎世联邦理工学院和一家美国公司合作创建了一种名为“-”（视觉控制喷射）的喷墨沉积工艺，该工艺能够使用扫描系统捕获 3D 打印几何形状并启用数字反馈循环，从而能够制造复杂的系统和机器人。 该方法无需机械平滑剂，并采用非接触式工艺，允许使用连续固化化学品，从而扩大了可用材料的范围。 通过这个过程，直接制造了一系列复杂、高分辨率的复合系统和机器人，包括肌腱驱动手、气动行走机械手、心脏模拟泵和超材料结构。 这些系统和机器人证明了该工艺的可行性，并展示了其制造具有高分辨率、功能性和多材料特性的系统的潜力。 研究成果发表在期刊上，题为《--for and》。 第一作者来自苏黎世联邦理工学院。
图1| 机器视觉如何防止 3D 打印故障。
与此同时，盐湖城大学的Yong Lin Kong发表了题为《Multi-3D by》的报告，指出该研究利用机器视觉解决了一直困扰3D喷墨打印机的问题，扩大了可打印的材料范围。被使用，并能够快速制作复杂的对象。
【VCJ的喷墨沉积工艺】
- (VCJ) 方法利用高速 3D 视觉系统进行低接触、连续打印调整，以实现多种材料的喷射并扩大可打印材料的范围和硬度，以创建具有复杂功能的系统和机器人。
1、VCJ工艺原理：
·视觉系统和深度图：采用高速3D视觉系统捕捉当前打印表面的深度图，通过检测当前表面偏差并自适应调整注入树脂量来实现打印过程中的反馈控制在下一层。
·高速打印：VCJ方法的工作速度比以前的方法快660倍，可实现高达33毫升/分钟的吞吐量，从而实现高速、高效的打印。
2、材质及印刷特性：
慢固化化学品的利用：VCJ的无接触工艺允许使用慢固化化学品，例如硫醚，使材料结构更加精确和可控。
· 广泛的材料特性：VCJ 能够制造具有广泛材料特性（例如化学特性、户外耐久性）的零件，包括耐化学性和户外环境（紫外线和潮湿）的材料兼容性。
高分辨率和高吞吐量：VCJ打印机可以以高分辨率（32 μm × 64 μm × 20 μm 体素尺寸）和高吞吐量（24 × 10^9 体素/小时）制造混合结构。
三、印刷工艺特点：
·多材料打印：支持同时打印多种不同类型的树脂和支撑材料，允许在同一结构中实现多种材料的组合。
·环路控制系统：采用闭环控制系统，实现单通道多材料打印，目前最多支持三种建筑材料和一种支撑材料。
4、材料及结构的应用：
VCJ方法可以使用慢速固化和快速固化的聚合物化学物质进行打印，从而可以灵活地应用不同类型的材料，例如高弹性物体和耐化学腐蚀材料。
图2| 通过视觉控制喷墨技术对软质和硬质多种材料进行高分辨率 3D 打印。
[材料性能表征与比较]
研究人员评估了该材料的性能，并将其与最先进的3D喷墨材料（软硫醚和丙烯酸酯基材料）进行了比较，重点关注以下几个方面：
1、材料性能评价：
·弹性模量和断裂伸长率：研究比较了软硫醚和材料Tango Black Plus的性能，发现它们在初始状态下的弹性模量和断裂伸长率相似。
·户外耐久性测试：测试Tango Black Plus和Soft 在户外环境下的耐久性，包括紫外线照射、温度变化和湿度。 结果表明，Tango Black Plus的弹性模量在短时间内急剧增加，而软硫醚的变化较小，仅为4%左右。
·韧性模量和回弹模量：根据ASTM D2632标准测试弹性材料的韧性模量，结果表明软硫醚的韧性模量是Tango Black Plus和30（Tango Black Plus的后继产品）的两倍。
2. 粘弹性行为的评估：
·应力应变循环试验：通过应力应变循环试验研究材料的粘弹性行为。 结果表明，丙烯酸材料的滞后面积是软硫醚的3～4.3倍。
·动态力学分析（DMA）：DMA测试表明，软硫醚比两种丙烯酸酯具有更窄的玻璃化转变温度（Tg）区域和更窄的储能模量变化范围。
图3| 与现有技术相比的材料特性。
【VCJ印刷工艺制造的全功能手系统】
“-hand”多材质手系统：
1. 手系统的功能和设计特点：手系统是一个多材料打印系统，带有传感器垫和气动信号线，可以感知接触，启动抓取动作，并在手指接触物体时停止手指运动。 。 这些功能的实现得益于 VCJ 技术能够用薄膜打印长、柔软、薄的通道和大腔室。
2、手系统的结构和机构：该系统有19根独立可控的腱。 该设计的灵感来自生物学，具有刚性的承重核心和柔软、灵活的外壳。 通过将腱连接到伺服电机进行控制，指尖配备了印刷传感器垫，并通过印刷液压信号线连接到压力传感器。
3.自主抓取功能：当手部系统接触到物体并且感知到的压力超过预定阈值时，系统将通过控制伺服电机触发抓取动作。 例如，当手掌传感器触摸物体时，它会触发手指弯曲并抓握。 当物体接触手指传感器垫时，信号线检测压力变化，一旦达到预定阈值，手指运动就会在完全弯曲之前停止。
4.手部系统的功能验证：作者对手部系统的抓取能力进行了测试和评估，使用一组物体来验证其抓取性能。
图4 | 印刷的机械手，由肌腱感应并提供动力。
【VCJ印刷工艺制造的行走抓取器】
“( )”印刷机器人系统：
1.行走抓取器的功能和设计特点：该机器人是一个六足行走系统，具有液压驱动的机械腿和抓取装置。 它可以行走、抓握和感知环境。 这些功能是通过印刷机创造强大的气密软硬界面和复杂的三维通道的能力来实现的。
2、机器人的结构及运动机构：行走夹具有六条腿，双关节。 每个关节支持高达35kPa的驱动压力，并能实现一定范围的运动。 六个腿分为两组，每组三个腿在压力下提供空气。 此外，机器人还配备了抓取器，其末端嵌入了传感器垫，可以感知并反馈抓取动作。
3、机器人运动性能：行走夹具能够以稳定的速度行走，并具有向前和向后行走的能力。 其步态周期使得机器人能够以每秒约0.1倍身体长度的速度行走，也能以每秒约0.01米的速度稳定行走。 此外，机器人还可以通过改变步态周期来向后移动。
图5 | 具有运动、感知和抓取功能的3D打印机器人。
【VCJ印刷工艺制造的心液泵】
1、心脏液泵的设计特点：该液泵是一种模拟心脏结构而设计的泵，具有驱动膜、单向阀和内部传感器室。 泵内的集成阀门和泵膜的灵感来自哺乳动物心脏的结构和机制，借鉴了自然界中优化的设计。 打印过程使用易于拆卸的支撑材料，允许一次性打印多个带有膜的小型和大型室、软室和刚性壁。
2、泵的工作原理：这种仿生泵通过泵运动膜上的循环压力变化来控制泵的工作循环，从而实现液体的流动。 其泵和阀门的机构设计也受到大自然的启发，在软硬材料的排列和特征尺寸上得到了进一步优化。
3、性能测试：作者使用流体实验装置对泵的流量、传感器和保水能力进行了测试。 实验结果表明，该泵在不同的泵送周期下可以实现高达2.3升/分钟的流量，并且印刷传感器可以测量与所需泵送频率相匹配的压力变化，因此可以在闭环控制环境中使用。
图6| 一次性打印出功能齐全的心脏泵。
【VCJ打印工艺制造的变形材料结构】
变形材料结构 ( ) 是超越自然材料属性的材料架构，并根据其拓扑结构进行设计，允许设计人员根据特定任务定制这些结构。 这些结构利用了各种物理原理，超越了材料传统性能的限制，因此具有广阔的应用前景。
1. 可变形材料结构的制作：为了展示VCJ技术的化学材料和优良特性，作者制作了一系列类似于桁架结构的可变形材料。 这些结构由一组 3 × 3 × 3 单元组成，包括几何定向的链接和节点。 通过改变软节点和刚性节点的直径，作者改变了材料在压缩下的行为方式。
2.压缩实验：作者对不同的样品进行了压缩测试，以研究变形材料在受到压缩时的行为变化。 通过改变连接和节点的直径，作者能够调整材料在压力下的行为并探索材料特性如何变化。 结果表明，节点直径的变化对材料性能的影响最为显着。
图 7 | 3D打印多材料超材料结构，刚度可调
【总结与展望】
总之，论文介绍了一种名为“-”（VCJ）的新型打印方法，利用机器视觉解决3D喷墨打印机的问题，大大扩展了可用材料的范围，实现了快速生产等复杂物体的打印机器人手）。 借助 VCJ 技术，研究人员能够以高通量和高分辨率制造耐用的多材料功能系统，包括具有集成传感和驱动通道的复杂机器人。 这种方法不仅提高了打印速度和分辨率，还扩大了可用材料的范围，为软硬混合机器人的制造带来了新的可能性。
尽管VCJ技术带来了巨大进步，但仍然存在一些挑战和发展机遇。 例如，该技术目前受到紫外线固化材料粘度低的限制，暴露在室外条件下可能会导致局部变形。 未来，该材料的性能和稳定性可以进一步提高，以增加其适用性。 此外，打印过程中不同材料的界面附着力不佳也是一个挑战，可以通过优化材料的化学成分和打印方法来改善。 未来的研究可以尝试增加打印头的数量，以增加多材料设计的复杂性，并进一步改进支撑材料去除过程。 尽管如此，VCJ技术创建复杂物体或机器的速度和灵活性将开辟新的可能性，为科学研究和工业应用提供更多可能性。
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