From Problem to Solution: Bio-inspired 3D Printing for Bonding Soft and Rigid Materials via Underextrusions

要約

脊椎動物は、構造的支持のための剛性と適応のための柔らかさの組み合わせから恩恵を受けている。同様に、剛性と柔らかさを統合することで、ソフトロボットの汎用性を高めることができる。しかし、軟質素材と硬質素材の間に耐久性のある接合界面を形成することに関連する課題は、ハイブリッド・ロボットの開発を制限してきた。既存のソリューションでは、ポリジェット3Dプリンターのような特殊な機械が必要であり、一般的に利用できるものではありません。このような課題に対応するため、私たちは、市販されているほとんどすべてのFDMプリンタで使用できる3Dプリント技術を開発しました。この技法は、軟質材料と硬質材料の間に強力な結合を形成するために、一般的な課題であるアンダーエクストルージョンを活用します。アンダーエクストルージョンにより、繊維状の結合組織に似た多孔質構造が生成され、層の融合により硬質部分との強固な界面を提供する一方、多孔質により軟質材料とのインターロックが可能になります。我々の実験では、この方法がソフトロボットで一般的に使用されている従来の接着剤を凌駕し、ラップせん断試験と剥離試験の両方で200％近い接着強度を達成することが実証された。さらに、気孔率の違いが接着強度にどのような影響を与えるかを調査した。ソフトロボットやハイブリッドロボットにとって重要な圧力シナリオのもとでこの技術をテストし、現行の接着ソリューションの3倍の圧力を達成した。最後に、この技術を用いて様々なハイブリッドロボットを製作し、このアプローチとハイブリッド性がソフトロボットにもたらす幅広い能力を実証した。 コンテキストメニューがあります。

要約(オリジナル)

Vertebrate animals benefit from a combination of rigidity for structural support and softness for adaptation. Similarly, integrating rigidity and softness can enhance the versatility of soft robotics. However, the challenges associated with creating durable bonding interfaces between soft and rigid materials have limited the development of hybrid robots. Existing solutions require specialized machinery, such as polyjet 3D printers, which are not commonly available. In response to these challenges, we have developed a 3D printing technique that can be used with almost all commercially available FDM printers. This technique leverages the common issue of underextrusion to create a strong bond between soft and rigid materials. Underextrusion generates a porous structure, similar to fibrous connective tissues, that provides a robust interface with the rigid part through layer fusion, while the porosity enables interlocking with the soft material. Our experiments demonstrated that this method outperforms conventional adhesives commonly used in soft robotics, achieving nearly 200\% of the bonding strength in both lap shear and peeling tests. Additionally, we investigated how different porosity levels affect bonding strength. We tested the technique under pressure scenarios critical to soft and hybrid robots and achieved three times more pressure than the current adhesion solution. Finally, we fabricated various hybrid robots using this technique to demonstrate the wide range of capabilities this approach and hybridity can bring to soft robotics. has context menu

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