制造机器人报告:材料
机器人材料的新领域
近年来，机器人领域的发展非常迅速，挑战了机器人结构和功能的传统观念。在《科学机器人》(Science Robotics)杂志2018年发表的一篇文章中，一个由科学家组成的专家小组确定了未来机器人设计和制造面临的一系列挑战。重要的是，在这些挑战中，首先是机器人新材料的开发。[1]
与材料科学相关的其他挑战包括设计生物混合和生物启发机器人，从生物体中获得灵感，创造多功能和自主系统。此外，机器人对极端复杂环境的适应性与创新机器人材料的机械和自愈特性有关。
为了理解机器人材料领域的快速发展，有必要介绍传统机器人和软机器人的区别。
传统的机器人技术依靠机电一体化系统来设计机器人。这些机器人通常由机电马达提供动力，由独立的部件和材料组装而成，每个部件和材料都执行单独的功能(驱动、传感、结构)。传统的机器人是基于刚性材料，如钢、铝、硬塑料、合金和复合材料。
另一方面，软机器人旨在将不同的功能集成到一种材料中，包括驱动、传感、自适应和运动。在这种情况下，软体机器人利用智能和多功能材料，如弹性体、凝胶、织物和生物材料，使机器人的身体能够适应周围的环境。[3]
传统机器人材料
今天，钢铁、铝、铸铁和硬塑料是工业机器人最常用的材料。通过创造使这些机器人更强、更轻、更硬、更精确的材料，材料科学在很大程度上支持了它们在工业上的成功。然而，机器人很少在工厂之外使用，因为这样做需要一定程度的敏捷性和适应性，这是由硬材料制成的标准机器人难以提供的。
在传统机器人的新兴材料中，碳纤维增强复合材料可以大大提高能耗，
性能，以及机器人的安全性。由于碳纤维复合材料比金属更轻，更耐用，这些材料在未来的机器人技术中很有前途。然而，它们的制造成本仍然很高，大规模生产仍然具有挑战性。[4]
形状记忆合金(sma)，如镍锡合金镍钛诺，可以通过编程在加热时恢复特定的形状。虽然它们的应用仍然有限，但sma可能会逐渐取代机器人中的重型液压执行器，同时增加耐用性。钛钛诺组件已经被用于空间机器人应用。美国宇航局好奇号火星探测器的轮胎完全由形状记忆镍钛诺组成。
新一代机器人材料
与传统机器人相比，软机器人是基于新一代可变形、柔性和智能材料的。软机器人材料的主要类别之一是弹性体材料，如天然和合成橡胶，有机硅，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和软复合材料。
弹性体具有机械柔顺性和高弹性模量，因此即使在非常显著的变形之后，它们也可以恢复其形状。[5]
第一个完全自主的软机器人于2016年设计，其特点是弹性体为基础的身体。[7]
这个机器人被称为“章鱼机器人”，因为它的形状受到章鱼的启发，由微流控逻辑控制，并由产生气体的化学反应驱动。它由嵌入式气动网络(EPN)驱动，该网络利用弹性体在气体释放时膨胀而不破裂的能力。
与刚性材料相比，弹性体用于机器人的主要优点是可以在有限的空间内运动，并且能够在整个机器人体内更有效地分配冲击载荷。
另一类正在发展的机器人材料是智能材料。这些材料本质上是多功能的，在单个组件中结合了传感、驱动和结构目的。智能材料可以在电场、温度、光和ph等多种刺激下改变形状。[3]
在智能材料中，机电活性聚合物(EAPs)，也被称为人造肌肉，会随着施加的电压而变形。在软机器人中，它们被用来制造驱动器，通过将聚合物夹在两个柔性电极之间。[8]另一方面，形状记忆聚合物被编程为在加热时恢复特定的形状。它们在航空航天和生物医学领域有有趣的应用。[3]
制造软体机器人
与传统机器人相比，软机器人的大规模制造还处于起步阶段。然而，近年来出现了新的制造可能性。由于软体机器人大多是基于聚合物的，因此它们的制造主要有两种方法，即铸造成型和增材制造。
铸造成型通常用于不需要复杂结构的软机器人。在硅橡胶和其他催化聚合物的情况下，交联发生在两种组分的混合中;因此，在硬化前对聚合物混合物进行脱气是防止最终部件出现缺陷的关键。如果传统的模塑是不够的，方法，如浸涂和旋转模塑是有效的塑造复杂的内部体积。[9]
增材制造(AM)，也称为3D打印，是塑造高度复杂部件的最简单方法。它是基于小体积材料的沉积来创造所需的形状。虽然增材制造最初仅用于硬的热塑性聚合物，但近年来它已扩展到软材料，如弹性体和水凝胶，成为软机器人最有前途的制造方法之一。在这种情况下，增材制造技术已应用于智能材料，采用称为4D打印的方法。[10]当暴露在特定的环境条件下时，3d打印组件会变形成预先编程的形状。
机器人材料的可持续性
电子垃圾的管理是21世纪最紧迫的问题之一。
据估计，每天有超过10万吨的电子设备被丢弃，其中只有很小一部分被回收利用。由于其复杂的成分，消费电子产品-通常包括稀有和有毒的材料-通常被填埋。[6]
正因为如此，创新的机器人材料需要考虑到循环思维，促进新的和更可持续的技术。与传统机器人相比，软机器人是一个大大减少对环境影响的行业机会。由于软体机器人通常依赖于多功能材料，因此它们的结构不那么复杂，相同的材料通常具有多种用途
(例如，驱动和结构)。正因为如此，它们本质上更容易回收。
此外，生物相容性和可生物降解材料可用于软机器人应用。这些材料既包括天然聚合物，如胶原蛋白、纤维素和壳聚糖，也包括合成聚合物，如聚己内酯(PCL)和聚乳酸(PLA)。[11]
最后，自修复材料可用于软机器人，显著延长机器人的使用寿命。自我修复材料包含了自动修复损伤的能力。[12]
面向未来的设计:理解生命周期分析
生命周期分析(LCA)是一种用于评估产品或服务在其整个生命周期(从原材料提取到处置)对环境影响的工具。LCA对于设计师了解其机器人产品的影响，为潜在客户提供透明度以及努力降低对环境的影响至关重要。与LCA相关的一些挑战包括:
数据可用性:
LCA需要大量的数据，包括在生产、运输、使用和处置过程中使用的材料和能源的信息。这些数据很难获得，特别是对于小型或利基产品，如机器人。
复杂性:
LCA可能是一个复杂的过程，涉及许多不同的阶段和多种影响。这使得比较不同产品或服务对环境的影响变得困难。华体会app官网尤其是在面对全新的产品和市场时。
不确定性:
在LCA中使用的数据通常存在一定程度的不确定性，这使得很难对产品或服务的环境影响做出明确的结论。由于机器人是一个新兴产业，可靠的长期数据很难获得。
相关性:
生命周期分析通常用于评价产品或服务在特定环境(如特定地理区域)中的环境影响。这使得很难将结果推广到其他地区或背景。
为了克服这些挑战，Protolabs在Design Council的Design for Planet节上与领先的设计师和工程师合作，制定了将LCA纳入下一个产品开发的五个技巧。
1.确保你将行星包含在设计概要的范围内
为了有效，你需要确保在简报中考虑到产品对地球和人类的影响。想想什么是重要的，你将如何衡量这些影响。
2.仔细考虑材料和优化材料的使用，产品和包装
对于生产，您需要考虑如何优化而不是最大化材料使用。利用生成式设计等设计方法可以产生更强、更轻、更美观的精益产品。
3.分析浪费和能源最高的地方
你越了解你自己的流程和测量的内容，你就越能准确地指出高水平的浪费——无论是原材料还是能源——然后采取行动消除、减少或回收和再利用。寻找同时拥有透明能源和材料信息的制造合作伙伴。
4.寿命结束和拆卸的设计
遵循地球设计的循环和再生原则。旧产品的处理将对环境产生影响，因此挑战在于通过设计其寿命结束和拆卸而不是将其送到垃圾填埋场来最大限度地减少这种影响。还要考虑产品如何在其原始寿命之外被重复使用，因此要考虑更换部件的模块化，重用和升级回收。更棒的是，你设计的东西真的能再生自然资源吗?世界杯2022官网投注
5.分享哪些可行，哪些不可行，这样我们就可以共同学习
我们都可以从我们的经验中学习，所以我们需要一个开源模型来展示什么是有效的，支持如何正确地完成事情，并帮助我们从错误中学习。设计师需要进行实验，尝试不同的东西，并从他们的集体经验中学习。考虑一下你将如何与其他设计师分享你的经验，这样我们都可以朝着更可持续的产品前进。
软机器人的应用
预计2022 ~ 2027年软机器人产业的复合年增长率(CAGR)将达到35.1%，其中最大的市场是北美。
这证明了人们对软机器人解决方案在各个领域的兴趣日益浓厚，其中医疗和外科应用预计将增长最快。[13]
在生物医学领域，软机器人技术提供了前所未有的机会，以传统设备所需成本的一小部分设计智能假肢。例如，一个柔软的机器人弹性手(见右图)通过气动系统驱动，最近被设计用于向患者提供实时触觉反馈。[14]
软机器人技术还可以促进微创手术(MIS)的发展，在不损害周围组织的情况下提供更快、更安全的手术过程。
软机器人的另一个有前途的领域是生产用于处理易碎物体的软抓手。
随着包括食品工业在内的越来越多的行业向自动化方向发展，新一代多功能机器人抓取器正在开发中。由于它们的重量轻，灵巧和坚固，软体机器人也是一种很有前途的空间应用技术。[15]
总的来说，机器人和材料科学的交叉为不同的技术领域提供了巨大的机会。由于智能材料和先进制造技术的发展，新一代的软体，
仿生的、可持续的机器人正在兴起。
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顾刚，张宁，徐辉，林松，于勇，柴刚，等。一个柔软的神经假手，同时提供肌电控制和触觉反馈。生物医学工程[互联网]。2021;下载网址:http://dx.doi.org/1 0.1038/s41551-021-00767-0
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