تطبيق مادة TPU في الروبوتات البشرية

TPU (البولي يوريثين الحراري)يتميز بخصائص استثنائية كالمرونة والمرونة ومقاومة التآكل، مما يجعله يُستخدم على نطاق واسع في المكونات الرئيسية للروبوتات البشرية، مثل الأغطية الخارجية والأيدي الروبوتية وأجهزة الاستشعار اللمسية. فيما يلي مواد إنجليزية مفصلة مُصنفة من أوراق أكاديمية وتقارير فنية موثوقة: 1. **تصميم وتطوير يد روبوتية مجسمة باستخداممادة TPU** > **ملخص**: تتناول الورقة البحثية المقدمة هنا حل مشكلة اليد الروبوتية المجسمة. تُعد الروبوتات اليوم من أكثر المجالات تطورًا، ولطالما سعت إلى محاكاة الحركات والسلوكيات البشرية. تُعد اليد المجسمة إحدى الطرق لمحاكاة العمليات البشرية. في هذه الورقة، تم توضيح فكرة تطوير يد مجسمة ذات 15 درجة حرية و5 محركات، بالإضافة إلى مناقشة التصميم الميكانيكي ونظام التحكم والتركيب وخصائص اليد الروبوتية. تتميز اليد بمظهر مجسم، ويمكنها أيضًا أداء وظائف بشرية، مثل الإمساك وتمثيل إيماءات اليد. تكشف النتائج أن اليد مصممة كقطعة واحدة ولا تحتاج إلى أي نوع من التجميع، وتتميز بقدرة ممتازة على رفع الأثقال، نظرًا لأنها مصنوعة من البولي يوريثان الحراري المرن.مادة (TPU)، وتضمن مرونتها أيضًا أن تكون اليد آمنة للتفاعل مع البشر أيضًا. يمكن استخدام هذه اليد في الروبوتات ذات الشكل البشري بالإضافة إلى اليد الاصطناعية. يجعل العدد المحدود للمشغلات التحكم أبسط واليد أخف وزنًا. 2. **تعديل سطح البولي يوريثين بالحرارة لإنشاء قبضة روبوتية ناعمة باستخدام طريقة الطباعة رباعية الأبعاد** > أحد السبل لتطوير التصنيع الإضافي المتدرج الوظيفي هو إنشاء هياكل مطبوعة رباعية الأبعاد (4D) لقبضة روبوتية ناعمة، والتي تحققت من خلال الجمع بين الطباعة ثلاثية الأبعاد لنمذجة الترسيب المندمج مع مشغلات الهيدروجيل الناعمة. يقترح هذا العمل نهجًا مفاهيميًا لإنشاء قبضة روبوتية ناعمة مستقلة عن الطاقة، تتكون من ركيزة حامل ثلاثية الأبعاد معدلة مطبوعة مصنوعة من البولي يوريثين بالحرارة (TPU) ومشغل يعتمد على هيدروجيل الجيلاتين، مما يسمح بتشوه استرطابي مبرمج دون استخدام هياكل ميكانيكية معقدة. > > يُضفي استخدام هيدروجيل قائم على 20% من الجيلاتين وظيفة محاكاة حيوية روبوتية ناعمة على الهيكل، وهو مسؤول عن الوظيفة الميكانيكية الذكية المستجيبة للمحفزات للكائن المطبوع من خلال الاستجابة لعمليات التورم في البيئات السائلة. يُسهّل التحسين الوظيفي السطحي المستهدف للبولي يوريثان الحراري البلاستيكي في بيئة من الأرجون والأكسجين لمدة 90 ثانية، بقوة 100 واط وضغط 26.7 باسكال، التغييرات في بروزه الدقيق، مما يُحسّن التصاق واستقرار الجيلاتين المتورم على سطحه. > > يُمكن للمفهوم المُحقق لإنشاء هياكل مشطية متوافقة حيويًا مطبوعة بتقنية رباعية الأبعاد للإمساك الروبوتي الناعم تحت الماء تحت الماء أن يوفر إمساكًا موضعيًا غير جراحي، ونقل الأشياء الصغيرة، وإطلاق المواد النشطة بيولوجيًا عند التورم في الماء. وبالتالي، يمكن استخدام المنتج الناتج كمشغل محاكاة حيوية ذاتي الطاقة، أو نظام تغليف، أو روبوتات ناعمة. 3. **توصيف الأجزاء الخارجية لذراع روبوت بشري مطبوع ثلاثي الأبعاد بأنماط وسمك مختلفة** > مع تطور الروبوتات البشرية، هناك حاجة إلى هياكل خارجية أكثر ليونة لتحسين التفاعل بين الإنسان والروبوت. تُعد الهياكل الأوكسيتيكية في المواد المتحولة طريقة واعدة لإنشاء هياكل خارجية ناعمة. تتميز هذه الهياكل بخصائص ميكانيكية فريدة. تُستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد، وخاصة تصنيع الخيوط المندمجة (FFF)، على نطاق واسع لإنشاء مثل هذه الهياكل. يُستخدم البولي يوريثان الحراري اللدن (TPU) بشكل شائع في FFF نظرًا لمرونته الجيدة. تهدف هذه الدراسة إلى تطوير غطاء خارجي ناعم للروبوت البشري Alice III باستخدام طباعة FFF ثلاثية الأبعاد مع خيوط Shore 95A TPU. > > استخدمت الدراسة خيوط TPU بيضاء مع طابعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع أذرع روبوت بشري ثلاثية الأبعاد. تم تقسيم ذراع الروبوت إلى أجزاء الساعد والجزء العلوي من الذراع. تم تطبيق أنماط مختلفة (صلبة وإعادة الدخول) وسمك (1 و2 و4 مم) على العينات. بعد الطباعة، أجريت اختبارات الانحناء والشد والضغط لتحليل الخصائص الميكانيكية. وأكدت النتائج أن هيكل إعادة الدخول كان قابلاً للانحناء بسهولة نحو منحنى الانحناء ويتطلب إجهاداً أقل. في اختبارات الضغط، كان هيكل إعادة الدخول قادرًا على تحمل الحمل مقارنةً بالهيكل الصلب. > > بعد تحليل جميع السماكات الثلاثة، تم التأكيد على أن هيكل إعادة الدخول بسمك 2 مم يتمتع بخصائص ممتازة من حيث خصائص الانحناء والشد والضغط. لذلك، فإن نمط إعادة الدخول بسمك 2 مم أكثر ملاءمة لتصنيع ذراع روبوت بشري مطبوع ثلاثي الأبعاد. 4. **هذه الوسادات "الجلد الناعم" المصنوعة من مادة TPU المطبوعة ثلاثية الأبعاد تمنح الروبوتات حاسة لمس منخفضة التكلفة وعالية الحساسية** > توصل باحثون من جامعة إلينوي أوربانا - شامبين إلى طريقة منخفضة التكلفة لمنح الروبوتات حاسة لمس تشبه الإنسان: وسادات جلدية ناعمة مطبوعة ثلاثية الأبعاد تعمل أيضًا كمستشعرات ضغط ميكانيكية. > > عادةً ما تحتوي أجهزة الاستشعار الروبوتية اللمسية على مجموعات معقدة للغاية من الإلكترونيات وهي باهظة الثمن، لكننا أظهرنا أنه يمكن تصنيع بدائل عملية ومتينة بتكلفة زهيدة للغاية. علاوة على ذلك، نظرًا لأن الأمر يتعلق فقط بإعادة برمجة طابعة ثلاثية الأبعاد، يمكن تخصيص نفس التقنية بسهولة لأنظمة روبوتية مختلفة. يمكن أن تتضمن الأجهزة الروبوتية قوى وعزم دوران كبيرين، لذلك يجب أن تكون آمنة تمامًا سواء كانت ستتفاعل مباشرة مع البشر أو تُستخدم في بيئات بشرية. من المتوقع أن يلعب الجلد الناعم دورًا مهمًا في هذا الصدد حيث يمكن استخدامه للامتثال للسلامة الميكانيكية والاستشعار اللمسي. > > صُنع مستشعر الفريق باستخدام وسادات مطبوعة من مادة اليوريثان الحرارية (TPU) على طابعة Raise3D E2 ثلاثية الأبعاد الجاهزة. تغطي الطبقة الخارجية الناعمة قسم حشو مجوف، وعندما يتم ضغط الطبقة الخارجية يتغير ضغط الهواء بالداخل وفقًا لذلك - مما يسمح لمستشعر الضغط Honeywell ABP DANT 005 المتصل بوحدة تحكم Teensy 4.0 بالكشف عن الاهتزاز واللمس وزيادة الضغط. تخيل أنك تريد استخدام روبوتات ذات بشرة ناعمة للمساعدة في بيئة المستشفى. ستحتاج إلى تعقيمها بانتظام، أو سيتعين استبدال الجلد بانتظام. وفي كلتا الحالتين، هناك تكلفة ضخمة. ومع ذلك، فإن الطباعة ثلاثية الأبعاد هي عملية قابلة للتطوير للغاية، لذلك يمكن تصنيع الأجزاء القابلة للتبديل بتكلفة زهيدة وتركيبها بسهولة على جسم الروبوت وفصله عنه. 5. **التصنيع الإضافي لشبكات TPU Pneu - كمحركات روبوتية ناعمة** > في هذه الورقة، يتم التحقيق في التصنيع الإضافي (AM) للبولي يوريثين الحراري (TPU) في سياق تطبيقه كمكونات روبوتية ناعمة. وبالمقارنة مع مواد التصنيع الإضافي المرنة الأخرى، يُظهر TPU خصائص ميكانيكية متفوقة فيما يتعلق بالقوة والإجهاد. من خلال التلبيد الانتقائي بالليزر، تتم طباعة مشغلات الانحناء الهوائية (شبكات pneu) ثلاثية الأبعاد كدراسة حالة روبوتية ناعمة ويتم تقييمها تجريبيًا فيما يتعلق بالانحراف بسبب الضغط الداخلي. يُلاحظ التسرب الناتج عن إحكام الهواء كدالة للحد الأدنى لسمك جدار المشغلات. > > لوصف سلوك الروبوتات الناعمة، يجب دمج أوصاف المواد شديدة المرونة في نماذج التشوه الهندسي التي قد تكون - على سبيل المثال - تحليلية أو عددية. تدرس هذه الورقة نماذج مختلفة لوصف سلوك الانحناء لمشغل روبوتي ناعم. تُطبق اختبارات المواد الميكانيكية لتحديد معلمات نموذج مادة شديدة المرونة لوصف البولي يوريثين الحراري البلاستيكي المصنوع بشكل إضافي. > > يتم تحديد معلمات المحاكاة العددية القائمة على طريقة العناصر المحدودة لوصف تشوه المشغل ومقارنتها بنموذج تحليلي نُشر مؤخرًا لمثل هذا المشغل. تتم مقارنة كلا التنبؤين النموذجيين بالنتائج التجريبية للمشغل الروبوتي الناعم. بينما يُحقق النموذج التحليلي انحرافات أكبر، تتنبأ المحاكاة الرقمية بزاوية الانحناء بمتوسط ​​انحرافات قدره 9 درجات، مع أن المحاكاة الرقمية تستغرق وقتًا أطول بكثير في الحساب. في بيئة إنتاج آلية، يُمكن للروبوتات الناعمة أن تُكمل تحول أنظمة الإنتاج الصلبة نحو تصنيع رشيق وذكي.