科学家开发用于医疗设备和软机器人的 3D 打印活性织物

Josiah02 · 发表于 2024-7-19 08:20:41

　　新加坡南洋理工大学 (NTU Singapore) 的科学家开发出一种创新型可穿戴织物，这种织物既灵活，又可以根据需要变硬。
　　新技术 RoboFabric 是通过几何设计、3D 打印和机器人控制相结合开发出来的，可以快速制成医疗设备或软机器人，例如无人机的肢体。
　　南洋理工大学研究团队利用这种多功能材料开发出一种肘部支撑物，帮助人们携带更重的负载。他们还制作了一种腕部支撑物原型，它可以帮助稳定关节以进行日常活动，并帮助患有颤抖的帕金森病患者。
　　受到穿山甲和犰狳的鳞片相互交错形成保护壳的启发，这项正在申请专利的技术的第一步是采用先进的数学算法来设计互锁的瓷砖系统。
　　然后，3D 打印的瓷砖通过穿过瓷砖之间微小通道的金属纤维或外部软壳连接在一起，这需要不断施加负压或真空。
　　当纤维收缩时，瓷砖会互锁并变硬，从而使 RoboFabric 的刚度增加 350 倍以上，并提供额外的强度和稳定性。
　　根据研究小组在《先进材料》上发表的研究结果，当该装置在举重的同时辅助关节时，人体肌肉活动可减少高达 40%。
　　首席科学家、南洋理工大学机械与航空航天工程学院助理教授王一帆表示：“我们受到动物的启发，它们常常通过使用复杂的结构来实现肢体的多种功能，就像章鱼的形状变形和硬度变化一样。”
　　“我们设想，未来需要石膏固定治疗骨折的患者可以选择定制一种柔性肢体支架，这种支架在变硬之前类似于织物。与传统的刚性和不可拆卸的石膏不同，它们只需按一下按钮即可轻松穿上或脱下。在日常使用中，关节支架还可以帮助老年人完成日常任务，有助于减少负重所需的肌肉力量，”同样来自南洋理工大学机器人研究中心的王教授补充道。
　　为了定制关节支撑，需要将手腕或肘部的 3D 扫描上传到专有软件中，通过该软件，特殊算法可以自动将 3D 模型解剖成数十个几何图块，只需一小时即可进行 3D 打印。
　　然后必须将金属纤维穿过瓷砖之间的孔，并连接到可以快速收紧或放松电缆的电气设备。
　　穿线过程目前是手工完成的，但该团队表示未来可以实现自动化，类似于使用机器重新穿羽毛球拍一样。
　　陈笃生医院康复医学系主任兼高级顾问、兼职副教授 Loh Yong Joo 在对 RoboFabric 技术进行独立评论时表示，南大的这项发明在康复医学的应用方面具有一定的前景。
　　“这项技术在一些情况下可能很有用，例如关节受伤的人，因为它可以在康复期间安全地调整运动范围。
　　对于那些上肢运动无力的患者，例如中风后患者，RoboFabric 可以提供支持来执行某些功能性任务，”同时也是 TTSH 临床创新主任的 Loh 教授说道。
　　“此外，患有帕金森病等运动障碍的患者可能会受益于 RoboFabric 提供的稳定性，它可以稳定运动轨迹，从而安全地完成功能性任务。如果将来适用于膝盖应用，它甚至可以作为稳定矫形器来改善步态模式并有助于防止跌倒。”
　　适用于机器人和无人机
　　RoboFabric 还可应用于机器人技术。王教授团队的最新研究论文发表在《科学机器人》杂志上，论文展示了一个由密封在弹性外壳中的薄波浪形瓷砖制成的微型机器人。
　　当施加真空时，RoboFabric 会转变为其指定形状并变硬。相反，当真空压力消除时，它会松弛成柔软状态。
　　这种变硬和变软的驱动使小型机器人能够像虫子一样爬行或在水中游泳，携带小负载或通过在易碎物品周围形成坚固的外壳来保护它们。这些能力对于需要在复杂地形中移动并按需提供保护的勘探和救援机器人来说非常重要。
　　在另一个演示中，四台这样的机器人组合在一起，在无人机上形成一个机器人夹持器。当变硬时，柔软的夹持器会卷起，可以拾取小物品，类似于抓娃娃机。要放下物品，它会放松。
　　夹持器卷起时可兼作减震垫，以防硬着陆。夹持器虽然柔软，但可以折叠到无人机机身中，不会影响其飞行功能。
　　该团队正在探索与对该技术感兴趣的行业合作伙伴的合作，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，因为这项新加坡制造的技术为医疗支持提供了新的解决方案并增强了无人机或勘探机器人的功能。

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