能像人手一样去感知的柔性3D打印机械手

 近日，康奈尔大学研究人员用3D打印机和四步软光刻技术创造出一个可以像人的手一样去感知所接触的表面的柔性机械手。可拉伸的光波导在这个3D打印手中扮演着曲率、伸长率和力传感器的角色。
从一出生，我们就能用手去触摸、感知和抓握，但我们如何体验触摸的感觉？我们如何在非人类实体上复制这种感觉？触摸是人的内在感觉还是外部感觉？由康奈尔大学机械和航天工程系助理教授Robert Shepherd领导的该大学研究团队尝试用3D打印来回答这些问题。

虽然大多数机器人能通过传感器获得抓握和触摸的感觉，但Shepherd和他的团队设计了一个柔性机械手，并用3D打印模具将其制造出来。该机械手用其手指的外部指尖来收集信息，与此同时手的内部也能像人的手一样进行“感觉”。博士生Huichan Zhao是论文《通过可伸展的光波导，被以光电方式神经支配的柔性假手（Optoelectronically Innervated Soft Prosthetic Hand via Stretchable Optical Waveguides）》的主要作者，该论文发布在《Science Robotics》的首版上。
“在今天，大多数机器人都配备有体外传感器来探测表面的东西，”Huichan Zhao，“我们的传感器被整合在机器人体内，这样它们就能探测通过其身体传送进来的力度，这跟我们感觉到疼痛的机制很相像。”
研究人员创造了一个绝妙的系统，通过光线，该系统能感受到周围的环境。随着柔性机械手的变形，更多的光通过一个芯而流失，一个光敏二极管会探测到这些光损失。据天工社了解，研究团队采用一种四步软光刻工艺来生产芯（光会通过这个芯）和覆层（波导的外表面），覆层中还包含有一个LED和上文提到的光敏二极管。
除了软光刻，3D打印在这一过程中也起着重要作用。“我们使用一台PolyJet打印机（Objet30）来为我们的光波导3D打印模具，”研究人员在论文中解释说，“这种制造工艺在芯和覆层之间产生了一个厚6纳米的表面粗糙度。这种相对粗糙的界面会引起散射，并因此导致更多的传播损失。然而，3D打印所带来的设计自由能实现复杂的传感器形状。”

由3D打印模具制成的光电子手能够执行各种任务，如抓取、探测形状和纹理。有趣的是（对于科学家和食物爱好者而言），这个3D打印机械手能扫描三个西红柿，然后通过柔软度来确定哪一个成熟。
虽然3D打印机械手能像人的手一样处理数据，但本质上它是通过光的存在或消失来理解其所接触的表面的。“如果我们弯曲它时没有光损失，我们不会得到任何有关传感器状态的信息，”Shepherd说，“光的损失量取决于它的弯曲度。”
这个不同寻常的研究项目涉及到3D打印、软光刻和光波导的使用，得到了空军科学研究办公室（Air Force Office of Scientific Research）的资助，并且利用了康奈尔纳米科学技术设施（Cornell NanoScale Science and Technology Facility）和康奈尔材料研究中心（Cornell Center for Materials Research），二者均由美国国家科学基金会（National Science Foundation）支持。
（编译自3Ders.org）