基于颗粒3D打印的超软热塑性弹性体膜在软体机器人中的应用研究

为解决软体机器人制造中复杂结构和超软材料的挑战，研究人员探索了颗粒基3D打印技术，成功制备了肖氏硬度低至00-30的热塑性弹性体（TPE）薄膜。该薄膜展现出与Ecoflex 00-10相当的力学性能，并实现了1320%的拉伸率。通过结合空心结构打印，简化了弯曲执行器的设计，其弯曲角度达180°，阻塞力达自重的238倍。此外，TPE膜的柔软性和气密性使其可作为传感器化吸盘，实现物体抓取和触觉传感。这一研究为软体机器人的多功能集成制造提供了新思路。

　　

软体机器人因其与环境和人类交互的安全性备受关注，但其制造面临两大难题：一是传统硅橡胶（如Ecoflex）的成型依赖复杂模具，限制了设计自由度；二是现有3D打印技术难以直接加工超软材料（肖氏硬度<50A）。尽管柔性长丝挤出（Filament-based MEX）可打印硬度70A以上的材料，但更软的材料易因长丝 buckling（屈曲）导致打印失败。如何通过增材制造实现超软材料的复杂结构一体化成型，成为软体机器人领域的关键挑战。

荷兰特文特大学团队在《Materials》发表研究，提出了一种颗粒基材料挤出（Pellet-based MEX）技术，通过改造挤出机冷却系统，成功打印出肖氏硬度00-30的超软热塑性弹性体（TPE）薄膜。该薄膜的工程应力与硅橡胶Ecoflex 00-10相当，单层膜厚度仅0.2 mm且气密性良好。研究人员设计了三种功能性演示器：弯曲执行器、传感器化吸盘和膜基夹持器，验证了TPE膜在软体机器人中的多功能应用潜力。

关键技术方法

研究采用自主设计的颗粒挤出机，集成螺旋散热通道防止颗粒结块；通过调节挤出参数（温度195-230°C）打印SEBS（47A）和Supersoft（00-30）TPE；利用单轴拉伸测试比较TPE与硅橡胶的力学性能；采用气压控制系统和图像追踪技术表征薄膜的膨胀行为；结合多材料打印（PLA刚性核心与TPE膜）实现传感器化吸盘。

研究结果

颗粒挤出机打印超软TPE膜

挤出机通过螺杆拖曳颗粒避免长丝屈曲，冷却系统将喂料区温度控制在60°C以下。打印的Supersoft TPE在400%应变下模量仅0.1 MPa，与Ecoflex 00-10相当，且未发生断裂（测试仪量程上限2328%应变）。

超薄可膨胀膜特性

单层SEBS膜（0.2 mm）在60 kPa下发生ballooning（气球化效应），拉伸率达585%；Supersoft膜在4.5 kPa下拉伸率达1320%。同心填充图案的膜比线型填充需更高破裂压力（60 vs 35 kPa），表明填充图案可编程变形行为。

气球化弯曲执行器

简化设计的执行器（无几何增强）在50 kPa下弯曲180°，阻塞力达13.33 N（238倍自重），远超SEBS气动网络执行器（130 kPa仅1.4 N）。

膜基传感器化吸盘

结合PLA刚性核心的Supersoft吸盘通过膜变形实现自密封，预载1N时粘附力>10 N；充气后膜可检测0.25 N接触力（滞后<5%），实现“触觉-吸附”一体化。

膜基夹持器

增厚膜（8 mm）与长刚性核心使膜从吸附转为包裹抓取，可抓取小于膜直径的物体（如轴承、螺栓），展现TPE高摩擦与适应性优势。

结论与意义

该研究突破了颗粒挤出技术打印超软材料的限制，填补了热塑性弹性体与硅橡胶间的性能鸿沟。TPE膜的ballooning效应简化了执行器设计，而多材料集成策略为传感器化软体机器人提供了新范式。尽管SEBS膜的循环寿命（<740次）仍需优化，但Supersoft膜（>1000次）的稳定性已满足实用需求。未来通过结合纤维增强或表面改性，可进一步拓展其在医疗机器人、自适应抓取等领域的应用。