南洋理工大学科学家开发出3D打印活性织物 可用于医疗器械和软体机器人

盖世汽车讯 据外媒报道，新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科学家们开发出创新的可穿戴织物，这种织物既柔软，又可以根据需要变得坚硬。这项名为RoboFabric的新技术结合了几何设计、3D打印和机器人控制技术，可以快速制成医疗设备或软体机器人，如无人机的四肢。

图片来源：《Science Robotics》

南洋理工大学的研究团队用这种多功能材料开发出可帮助人们负重的肘部支撑装置，以及可以帮助稳定关节进行日常活动的腕部支撑原型，可使患有帕金森病的患者受益。

受穿山甲和犰狳鳞片互锁形成保护壳的启发，正在申请专利的这项技术的首要步骤是采用先进的数学算法来设计一个瓦片互锁系统。然后，这些3D打印的瓦片通过穿过它们之间微小通道的金属纤维或外部软壳连接在一起，这需要持续施加负压或处于真空条件。当纤维收缩时，瓦片会互锁并变硬，使RoboFabric的刚度提高350倍以上，并提供额外的强度和稳定性。

根据该研究团队在期刊《先进材料》（Advanced Materials）上发表的研究结果，当该设备在辅助关节搬运重物时，最高可减少40%人体肌肉活动。

该研究首席科学家、南洋理工大学机械与航空航天工程学院（School of Mechanical and Aerospace Engineering）助理教授Wang Yifan表示：“我们的灵感来自于动物利用复杂结构来实现其肢体的多功能性，就像章鱼的形状变形和刚度变化一样。”

同样来自南洋理工大学机器人研究中心（Robotics Research Center）的Wang教授补充道：“我们设想，未来需要石膏模型治疗骨折的患者可以选择定制一种在硬化前类似织物的柔性肢体支撑。与传统的刚性和不可拆卸的石膏模型不同，这种肢体只需按一下按钮，就可以轻松穿戴或移除。在日常使用中，关节支撑装置也可以帮助老年人完成日常任务，减少负重所需的肌肉力量。”

为了定制关节支撑，手腕或肘部的3D扫描图像需上传到专有软件中，通过该软件，一种特殊的算法可以自动将3D模型分解成几十个可以在1小时内进行3D打印的几何瓦片。然后，金属纤维必须穿过瓦片之间的孔，并连接到可以快速拧紧或松开电缆的电动装置上。目前这一穿线过程是手工完成的，但该研究团队表示，未来有望实现自动化，就像使用机器重新穿线羽毛球拍一样。

陈笃生医院（TTSH）康复医学系（Department of Rehabilitation Medicine）主任兼高级顾问、副教授Loh Yong-Joo对RoboFabric技术发表了独立评论，他认为南洋理工大学的这项发明在康复医学方面有一定的应用前景。

TTSH的临床创新主任（Director of Clinical Innovation）Loh教授表示：“这项技术在一些情况下可能非常有用，比如关节受伤的人，因为它可以在恢复过程中安全地调整运动范围。对于中风患者等上肢运动无力的人，RoboFabric可以提供支持来完成一些功能性任务。此外，患有帕金森病等运动障碍的人可能会受益于RoboFabric提供的稳定性，因其可以稳定运动轨迹并安全地完成功能性任务。如果将来应用于膝盖，它甚至可以作为稳定矫形器来改善步态模式，帮助预防跌倒。”

适用于机器人和无人机

RoboFabric也可以应用于机器人技术。在期刊《Science Robotics》上发表的最新研究论文中，Wang教授的团队展示了一种由密封在弹性外壳中的薄波浪形瓦片制成的微型机器人。

当施加真空条件时，RoboFabric会变形成指定的形状并变得坚硬。相反，当真空条件被移除时，它则会放松到柔软状态。这种变硬和变软的驱动使微型机器人能够像蠕虫一样爬行或在水中游动，携带小负荷或通过形成刚性外壳来保护脆弱的资产。这些能力对于需要在复杂地形中移动并按需提供保护的探索和救援机器人来说非常重要。

在另一个演示中，四个这样的机器人组合形成无人机上的机器人抓手。当它变硬时，柔软的抓手会像抓娃娃机一样卷曲起来拾取小物品。要放下物品时，它就会放松。抓手卷曲时还可以充当用于硬着陆时的减震垫。在放松状态下，抓手则可以折叠到无人机机身中，而不会影响其飞行功能。

由于这项技术为医疗支持提供了新的解决方案，并增强了无人机或探索机器人的功能，因此该团队正在与对这项技术感兴趣的行业合作伙伴开展合作，并希望与他们合作在医疗保健和机器人领域进行部署试验。