Fabrication of soft mechanisms in a single processing step

Abstract

Recentemente, um tipo de materiais ganhou visibilidade no campo da robótica. Polímeros flexíveis tornaram-se atrativos por variadas razões, e investigadores de todo o mundo estão a tentar desenvolver tecnologias integrando matéria soft em diferentes aplicações. A Robótica Soft é a tecnologia que está mais perto de conseguir imitar a natureza. Existem inúmeras aplicações, nomeadamente no domínio da indústria. Apesar dos soft robots serem promissores devido às suas capacidades ao nível do movimento e toque suave, o seu desenvolvimento está limitado por um lento e complexo processo de fabrico. É demonstrado que este processo pode ser melhorado com o auxílio de uma simples impressora 3D de deposição de material e materiais fáceis de adquirir. Aqui expõe-se um novo método, focado na agilização do fabrico, onde a produção é maioritariamente não supervisionada. Isto permite a criação de geometrias mais complexas que o método tradicional, através da utilização de machos sacrificiais. Os moldes e os machos hidrossolúveis são impressos em 3D e num único processo os mecanismos soft são criados através de moldação de silicone. A análise de elementos finitos foi usada para simular os designs dos atuadores, previamente ao fabrico, de modo a reduzir o tempo total de fabrico usado na otimização de novos protótipos. Um circuito de água aquecida foi criado para acelerar o processo de dissolução. Exemplos de atuadores feitos com este método foram desenvolvidos e testados para demonstrar as suas vantagens, e expor a sua versatilidade em relação às técnicas já existentes. Esses atuadores integram dois robots, capazes de se movimentar quando pressurizados através de um circuito pneumático com controlo de pressão e frequência.

In recent years, a specific set of materials gained visibility in the robotics field. Flexible polymers became attractive for various reasons, and researchers all around the world are trying to develop new technologies integrating soft matter in different applications. Soft robots are the closest we can get to mimic nature and they have plenty applications, including in the industrial field. Although soft robots are promising due to their compliant motion properties and soft touch, their development is limited by relatively slow and complex fabrication processes. It is demonstrated that this process can be improved with the help of a common fused deposition modeling 3D printer and off-the-shelf processes. Here it is shown a new method aiming at a faster fabrication, where the production is mostly unsupervised, and allows the creation of geometries more complex than the traditional method, by using sacrificial cores. Moulds and hidrossoluble cores are 3D printed and, in a single processing step, soft mechanisms are created using silicone casting. Finite element analysis (FEA) was used to simulate pre-fabricated designs to reduce the overall production time of new prototypes. A heated water circuit was created to optimize the dissolution process. A set of actuators was created and tested, using this new method, to display its strengths and exhibit its versatility among the know soft robots’ techniques. These actuators were used to develop two robots that were able to move when pressurized, with controllable pressure and frequency.