3d列印定製開發的機械手

近日，康奈爾大學研究人員用3D印表機和四步軟光刻技術創造出一個可以像人的手一樣去感知所接觸的表面的柔性機械手。可拉伸的光波導在這個3D列印手中扮演著曲率、伸長率和力感測器的角色。

從一出生，我們就能用手去觸摸、感知和抓握，但我們如何體驗觸摸的感覺？我們如何在非人類實體上複製這種感覺？觸摸是人的內在感覺還是外部感覺？由康奈爾大學機械和航天工程系助理教授Robert Shepherd領導的該大學研究團隊嘗試用3D列印來回答這些問題。

雖然大多數機器人能通過感測器獲得抓握和觸摸的感覺，但Shepherd和他的團隊設計了一個柔性機械手，並用3D列印模具將其製造出來。該機械手用其手指的外部指尖來收集信息，與此同時手的內部也能像人的手一樣進行「感覺」。博士生Huichan Zhao是論文《通過可伸展的光波導，被以光電方式神經支配的柔性假手（Optoelectronically Innervated Soft Prosthetic Hand via Stretchable Optical Waveguides）》的主要作者，該論文發布在《Science Robotics》的首版上。

「在今天，大多數機器人都配備有體外感測器來探測表面的東西，」Huichan Zhao，「我們的感測器被整合在機器人體內，這樣它們就能探測通過其身體傳送進來的力度，這跟我們感覺到疼痛的機制很相像。」

研究人員創造了一個絕妙的系統，通過光線，該系統能感受到周圍的環境。隨著柔性機械手的變形，更多的光通過一個芯而流失，一個光敏二極體會探測到這些光損失。據天工社了解，研究團隊採用一種四步軟光刻工藝來生產芯（光會通過這個芯）和覆層（波導的外表面），覆層中還包含有一個LED和上文提到的光敏二極體。

除了軟光刻，3D列印在這一過程中也起著重要作用。「我們使用一台PolyJet印表機（Objet30）來為我們的光波導3D列印模具，」研究人員在論文中解釋說，「這種製造工藝在芯和覆層之間產生了一個厚6納米的表面粗糙度。這種相對粗糙的界面會引起散射，並因此導致更多的傳播損失。然而，3D列印所帶來的設計自由能實現複雜的感測器形狀。」

由3D列印模具製成的光電子手能夠執行各種任務，如抓取、探測形狀和紋理。有趣的是（對於科學家和食物愛好者而言），這個3D印表機械手能掃描三個西紅柿，然後通過柔軟度來確定哪一個最成熟。

雖然3D印表機械手能像人的手一樣處理數據，但本質上它是通過光的存在或消失來理解其所接觸的表面的。「如果我們彎曲它時沒有光損失，我們不會得到任何有關感測器狀態的信息，」Shepherd說，「光的損失量取決於它的彎曲度。」

這個不同尋常的研究項目涉及到3D列印、軟光刻和光波導的使用，得到了空軍科學研究辦公室（Air Force Office of Scientific Research）的資助，並且利用了康奈爾納米科學技術設施（Cornell NanoScale Science and Technology Facility）和康奈爾材料研究中心（Cornell Center for Materials Research），二者均由美國國家科學基金會（National Science Foundation）支持。