近日，康奈爾大學(xué)研究人員用3D打印機(jī)和四步軟光刻技術(shù)創(chuàng)造出一個(gè)可以像人的手一樣去感知所接觸的表面的柔性機(jī)械手?？衫斓墓獠▽?dǎo)在這個(gè)3D打印手中扮演著曲率、伸長率和力傳感器的角色。

從一出生，我們就能用手去觸摸、感知和抓握，但我們?nèi)绾误w驗(yàn)觸摸的感覺？我們?nèi)绾卧诜侨祟悓?shí)體上復(fù)制這種感覺？觸摸是人的內(nèi)在感覺還是外部感覺？由康奈爾大學(xué)機(jī)械和航天工程系助理教授Robert Shepherd領(lǐng)導(dǎo)的該大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)嘗試用3D打印來回答這些問題。

雖然大多數(shù)機(jī)器人能通過傳感器獲得抓握和觸摸的感覺，但Shepherd和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)柔性機(jī)械手，并用3D打印模具將其制造出來。該機(jī)械手用其手指的外部指尖來收集信息，與此同時(shí)手的內(nèi)部也能像人的手一樣進(jìn)行“感覺”。博士生Huichan Zhao是論文《通過可伸展的光波導(dǎo)，被以光電方式神經(jīng)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(fā)布在《Science Robotics》的首版上。

“在今天，大多數(shù)機(jī)器人都配備有體外傳感器來探測(cè)表面的東西，”Huichan Zhao，“我們的傳感器被整合在機(jī)器人體內(nèi)，這樣它們就能探測(cè)通過其身體傳送進(jìn)來的力度，這跟我們感覺到疼痛的機(jī)制很相像?！?

研究人員創(chuàng)造了一個(gè)絕妙的系統(tǒng)，通過光線，該系統(tǒng)能感受到周圍的環(huán)境。隨著柔性機(jī)械手的變形，更多的光通過一個(gè)芯而流失，一個(gè)光敏二極管會(huì)探測(cè)到這些光損失。據(jù) 童程童美了解，研究團(tuán)隊(duì)采用一種四步軟光刻工藝來生產(chǎn)芯(光會(huì)通過這個(gè)芯)和覆層(波導(dǎo)的外表面)，覆層中還包含有一個(gè)LED和上文提到的光敏二極管。

除了軟光刻，3D打印在這一過程中也起著重要作用?！拔覀兪褂靡慌_(tái)PolyJet打印機(jī)(Objet30)來為我們的光波導(dǎo)3D打印模具，”研究人員在論文中解釋說，“這種制造工藝在芯和覆層之間產(chǎn)生了一個(gè)厚6納米的表面粗糙度。這種相對(duì)粗糙的界面會(huì)引起散射，并因此導(dǎo)致更多的傳播損失。然而，3D打印所帶來的設(shè)計(jì)自由能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的傳感器形狀?！?

由3D打印模具制成的光電子手能夠執(zhí)行各種任務(wù)，如抓取、探測(cè)形狀和紋理。有趣的是(對(duì)于科學(xué)家和食物愛好者而言)，這個(gè)3D打印機(jī)械手能掃描三個(gè)西紅柿，然后通過柔軟度來確定哪一個(gè)最成熟。

雖然3D打印機(jī)械手能像人的手一樣處理數(shù)據(jù)，但本質(zhì)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(shí)沒有光損失，我們不會(huì)得到任何有關(guān)傳感器狀態(tài)的信息，”Shepherd說，“光的損失量取決于它的彎曲度?！?

這個(gè)不同尋常的研究項(xiàng)目涉及到3D打印、軟光刻和光波導(dǎo)的使用，得到了空軍科學(xué)研究辦公室(Air Force Office of Scientific Research)的資助，并且利用了康奈爾納米科學(xué)技術(shù)設(shè)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(xué)基金會(huì)(National Science Foundation)支持。