基于电活性材料的驱动与传感一体化智能软体机器人集成制造工艺研究

Soft robot,is listed as representatives of next generation robot for human-machine-environments interactions. However, the current research on soft robots considered little on the sensing , which leads to the lack of sensatory of environments information. In addition, electro-active polymer (EAP) is capable of sensing and actuating but the related to complex 3D printing is missing. This project proposed an integration and additive manufacture for actuator/sensor integrated soft robot based on EAP. The additive manufacture for actuator/sensor based on EAP is studied, the relation of process parameter on the performance is investigated. Then an integrated manufacture for multi-EAP and multi-structure is established, to reveal the mechanism and principle on different techniques, for an optimized process. A new additive manufacture is developed for the research of soft smart robot as applications in military, medical and rescuer area.

软体机器人是下一代具有人机-环境交互的共融型机器人之一。鉴于现有的软体机器人缺少传感功能研究、导致环境适应性差以及智能化困难，而新型电活性聚合物类材料（Eelectro-active poly mer，简称EAP）虽然可以实现驱动和传感双重功能，但目前关于复杂3D形状的EAP材料的制造工艺非常匮乏。为此项目提出研究基于EAP材料的驱动/传感一体化智能软体机器人的集成增材制造工艺。项目首先分别研究面向驱动和面向传感的不同EAP材料的3D打印增材制造工艺，揭示增材制造工艺对功能材料驱动性能及传感性能的影响机理，掌握其影响规律；然后着重研究多种EAP材料及其多种结构特征的EAP材料集成增材制造工艺，揭示不同增材制造工艺相互影响及干涉机理及其规律，协调及优化集成制造工艺参数，开发多种功能材料集成增材制造新工艺，为最终开发智能软体机器人奠定基础，促进软体机器人在医疗、军事、救援等领域的发展应用。

本项目首先研究了电场型PVC凝胶、离子型IPMC两类电活性聚合物作为驱动功能材料的增材制造工艺，着重研究了这两类电活性聚合物材料直写打印制造的墨水配置工艺、形状控制工艺、工艺参数对驱动性能的影响规律，为软体机器人驱动结构设计与制造提供了参考；接着，项目研究了PVDF、IPMC离子型传感、CNT/PDMS电阻式传感， PVC凝胶电容式传感等三种不同类型的传感功能材料的增材制造工艺；在此基础上，设计了多材料、多功能的驱动与传感一体化结构，并探索实现了其集成制造工艺，以柔性抓手为软体机器人原形，实现了驱动与传感一体化软体机器人的集成制造。本文的研究成果不仅对推动电活性聚合物材料制造技术的发展具有重要意义，也将为实现电活性聚合物在软体机器人中的应用奠定基础。