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2025-07
SUTD：3D打印软体机器人合成材料新突破
在 Applied Materials Today 期刊上发表的一项研究中，来自新加坡科技设计大学（以下简称SUTD）的一个多学科研究团队开发出了种类最多的硅胶和环氧树脂合成材料，用于可穿戴设备、生物医学设备和软体机器人的3D打印。可调功能梯度材料的范围显示出超过五个数量级的弹性模量，具有优异的界面韧性，在复杂结构中打印精度更高，也能更好控制机电部件一体化集成。
该团队在其论文Silicone/Epoxy Hybrid Resins with Tunable Mechanical and Interfacial Properties for Additive Manufacture of Soft Robots 中强调了目前软体机器人在稳健性和适应性上受到的限制以及改进的可能性。例如，把电路板、传感器、电池、气动接头、电缆和泵之类的机电部件集成到软体机器人上仍然有困难，而且集成所用的传统模具成型技术也无法实现复杂设计和可控制备。
为突破这些局限性，团队开发出一系列新型的聚合物合成材料，其力学性能跨度大（从非常软到非常硬），适用于各类软机器人的打印以及与传统硬机电部件的组装。这些合成材料的韧性和化学相容性也很优秀，能承受较大的应变，并且可以通过直写成型技术进行加工，便于对复杂结构进行先进的数字化制造。
蝙蝠翼启发的多材料混合结构的设计和制造。▲图解：(a). 结构设计插图。(b). 合成结构的直接墨水书写。(c). 固化结构（每个机翼的面积约为90平方厘米，膜厚度约为0.7毫米，臂的总厚度约为3.5毫米）。(d). 小应变下机翼结构的柔韧性和内聚力。(e). 大应变下机翼结构的柔韧性和内聚力。(f). 机翼安装在制动机构上。
这些新型合成材料由软铂催化弹性体和硬环氧树脂通过酸酐固化剂固化而成。选择酸酐固化剂，而不是常用的胺类固化剂，能让硅胶和环氧树脂达到较好的化学相容性，也能通过改变材料构成成分来精确调整力学特性和界面特性。
合成材料显示出超过五个数量级的弹性模量，从22 kPa 到 1.7 GPa，是目前可调功能梯度材料中弹性跨度最大的。成分相近的合成材料界面强度高，从0.8 到3.0 kJ.m-2，利于软体系统和很多传统机电部件之间的稳健结合。这样的话，通过给墨水配方添加流变改性剂，即纳米粘土，就能用增材制造的方式完成复杂三维合成结构。
研究人员通过四个主要实例证明了这种新型合成材料的优势。第一个是将PCB集成到软膜上，该软膜可以拉伸200％以上，而不会出现任何界面损伤。第二个示例是从关节解剖模型成功地复制了手指关节，并牢固地整合了骨样，肌腱样和韧带样结构。第三个示例详细介绍了轴向变形可调的增强型气动执行器的结构和性能。最后一个示例报道了一种蝙蝠翼式机翼结构，能够支持快速动力学和较大的弯曲变形。
这些示例中的性能无法通过传统的铸造或模塑技术实现。SUTD副教授Pablo Valdivia y Alvarado，也是工程产品研发项目主要研发人，他说到：“ 在化学，物理和工程领域，这项研究工作的成果和发现，对材料工程学都有重大贡献，尤其是应用到软体机器人技术时。我们开发的先进制造方法可实现多种规模和高分辨率的稳健材料组合，能够广泛应用于可穿戴设备、医疗保健和软机器人等关键领域。”
关键词：
新型合成材料,硅胶3D打印,3D打印,软体机器人,SUTD,新加坡科技设计大学,酸酐固化剂,硅胶
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