Des chercheurs chinois conçoivent une robotique biomimétique imprimée en 3D

Des chercheurs chinois conçoivent une robotique biomimétique imprimée en 3D

Dans le récent

Les scientifiques des matériaux continuent de s'inspirer de la nature dans bon nombre de leurs études et des innovations qui en découlent aujourd'hui, et à mesure que l'impression 3D se transforme en impression 4D avec des formes qui se déforment puis reprennent leur forme d'origine, la fabrication numérique elle-même continue de se développer. La plupart de ces matériaux et la déformation qui en résulte sont entraînés par des forces externes dans l'environnement telles que la température ou l'humidité et peuvent être utilisés comme des géométries complexes pour des applications comme la médecine, la robotique, etc.

Dans cette étude, les auteurs examinent l'utilisation du contrôle du champ magnétique et des matériaux souples magnéto-actifs (MASM) car ils offrent le potentiel à la fois pour les capteurs souples et les actionneurs. Des recherches antérieures ont été effectuées avec l'impression magnétique 3D, aboutissant à la fabrication des deux composites anisotropes couplés à des aimants.

Stratégie de programmation de formes et processus de fabrication de MASM. (a) L'organigramme de la stratégie de programmation des formes et un dossier de programmation pour l'imitation de la chenille. Les déformations sont simulées par COMSOL, et la direction de l'UMF est indiquée par les flèches rouges. (b) Illustrations schématiques de l'impression 3D et de l'encapsulation. L'impression 3D est utilisée pour la fabrication des différents éléments structuraux magnétiques, qui sont encapsulés par du caoutchouc silicone. (c) Les photos des échantillons MASM avec des éléments structuraux magnétiques orientés. Le rayon des échantillons de disque est de 10 mm. (Pour l'interprétation des références à la couleur dans cette légende de la figure, le lecteur est renvoyé à la version Web de cet article.)

Avec un nouveau

«Avec les avantages de l’impression 3D, cette approche de fabrication permet aux éléments de structure magnétiques de n’importe quelle forme, distribution et orientation de générer des profils de magnétisation anisotropes. Cette méthode nous permet de programmer le moment magnétique dans la matrice souple, permettant les capacités d’actionnement souhaitées des MASM. La propriété de déformation des MASM à forme programmable a été étudiée synthétiquement et le mécanisme physique associé a été proposé. »

«Grâce à ces excellentes capacités, diverses structures biomimétiques (chenille, raie manta et pince douce) peuvent être facilement fabriquées avec des fonctions de marche, de natation et de capture sous le champ magnétique uniforme (UMF). Cette approche proposée peut combler les lacunes des méthodes de programmation existantes et ouvre de nouvelles voies pour capitaliser pleinement le potentiel des MASM. »

Mécanismes de changement de forme et performances de déformation de la bande MASM. (a) Analyse par éléments finis des éléments structuraux magnétiques orientés évalués par COMSOL. La force de l'UMF appliquée est de 300 mT, et la direction est indiquée par la flèche rouge. La densité du flux magnétique est indiquée par la légende des couleurs, la direction et l'amplitude de Maxwell

Le PLA a été mélangé à un rapport volumique de 6: 1 avec des particules de fer carbonylé (CIP), mélangé mécaniquement pendant 30 minutes, puis ajouté à l'extrudeuse d'une imprimante FDM 3D.

«Ici, il convient de noter que l’impression d’éléments structuraux magnétiques n’est qu’une des méthodes de conception du moment magnétique. L’ajustement du moment magnétique peut également dépendre de la distribution des particules et du domaine magnétique », ont expliqué les chercheurs.

Lors de l'impression 3D, cependant, les structures magnétiques étaient constituées de propriétés ferromagnétiques isotropes en raison de la dispersion uniforme des particules de PLA. L'équipe a imprimé des échantillons 3D avec une variété d'éléments structuraux magnétiques orientés différents, confirmant que ces différences affectaient les propriétés mécaniques des MASM.

En fin de compte, les chercheurs ont réussi à créer une gamme de structures biomimétiques inspirées de la nature telles que la chenille, la raie manta et un dispositif de préhension souple. Les échantillons fabriqués étaient également inspirés d'animaux tels que les serpents et les mollusques, et les formes MASM étaient capables d'imiter leurs structures et leurs mouvements; cependant, la magnétisation dépendait de la distribution et de l'orientation des éléments structuraux magnétiques adjacents

Divers MASM de forme programmable avec changement de forme bidimensionnel des champs magnétiques sous-appliqués pour l'imitation biomimétique. a) Photographies de serpents, d'étoiles de mer et d'étoiles cassantes. (b) Simulation par éléments finis de formes programmées via COMSOL. La densité de flux magnétique est indiquée par la couleur. (c) Modifications bidimensionnelles de la forme des MASM sous champs magnétiques appliqués. L'intensité de l'UMF horizontal est de 200 mT, et la direction est indiquée par la flèche. Pour différentes formes programmées, les éléments structuraux magnétiques d'une longueur de 1,5 mm, d'une largeur de 0,3 mm et d'une épaisseur de 4 mm ont des distributions différentes dans SR. Toutes les écailles mesurent 10 mm. (Pour l'interprétation des références à la couleur dans cette légende de la figure, le lecteur est renvoyé à la version Web de cet article.)

Conception de robots souples et d'actionneur sur la base de MASM programmables. (a) Mouvement de marche du robot souple en forme de ver sur la plaque dentelée. La flexion du robot est entraînée par l'UMF, et elle est restaurée par le couplage de la gravité et des forces élastiques. La barre d'échelle blanche est de 10 mm. (b) Nage du robot mou ressemblant à une raie manta sous l'eau. Le balancement du robot de natation est également entraîné par l'UMF. La barre d'échelle blanche est de 10 mm. (c) Saisir et libérer la pince souple. L'action de préhension est entraînée par l'UMF, et le poids de l'objet cylindrique est de 15,3 g. La barre d'échelle blanche est de 20 mm. Dans ces cas, l'intensité de l'UMF est de 300 mT et la direction est indiquée par la flèche.

Les exemples de structures,

Après prise en compte de la faible densité,

La conception de la chenille se traduit par un robot doux capable de

«Ce travail utilise simplement le champ magnétique uniforme (UMF) comme actionnement uniquement, mais des comportements d’actionnement plus complexes peuvent également être générés en utilisant le champ magnétique à gradient. L’approche proposée ouvre de nouvelles voies pour capitaliser pleinement le potentiel des MASM, permettant aux chercheurs de développer une large gamme d’actionneurs souples qui sont essentiels dans les applications de robotique douce, de soins médicaux et de bionique », ont conclu les auteurs à la fin de leur étude.

Les scientifiques ont toujours eu une histoire inspirée par la nature, et cela a joué un rôle fascinant dans la progression de l'impression 3D, car la biomimétique a été la force derrière les nouvelles prothèses, les structures architecturales innovantes, la technologie des drones, etc.

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Les chercheurs chinois de conception conçoivent la robotique douce biomimétique imprimée en 3D