软质机器的高生产率制造的制作方法

本申请要求2014年4月11日提交的美国专利申请No.61/978,573的优先权，该申请的内容以引用的方式全文并入本文。

有关联邦资助研究或开发的声明

本发明得到美国政府的支持，是在美国陆军研究室给予的拨款No.W911NF-09-1-0476下做出的。美国政府可以具有本发明的某些权利。

背景技术：

已经报道了在模制弹性体本体中使用互连通道的软质机器人。软质机器基于没有骨骼的头足类动物，类似章鱼和鱿鱼。它们由具有最简化设计的软质材料形成，并且被设计成通过加压具有嵌入通道的软质装置来模拟头足动物的运动。利用气动压力可以致动软质机器人，以使得机器人经受一定范围的运动。基础的软质机器人致动器包括可延展通道或囊状物，该可延展通道或囊状物抵靠较硬的或不太可延展的背衬而膨胀。参见PCT申请PCT/US11/61720，以获得有关软质机器人的设计和致动的额外信息，该申请的内容全文以引用的方式并入本文。

模制是制造软质机器人致动器的一种方式；然而，其是批量方法。塑性材料的固化可能要花费一定的时间，在固化时间期间，制造过程中断。具有较高生产率的装置制造是期望的。

技术实现要素：

描述用于制造软质机器人的低成本的高生产率的方法。描述利用热塑性树脂制造软质机器的新型的规模化的工序。在其它方面中，描述用于制造软质机器人的连续过程。提供热粘接的软质机器人。

在一个方面中，软质机器人装置包括至少第一热塑性层和第二热塑性层，其中：至少一个层由可延展热塑性材料构成；至少一个层是不可延展层；并且至少一个层包括气动网络，其中气动网络被构造成与加压源流体接触，其中第一热塑性层和第二热塑性层彼此热粘接。

在一个或多个实施例中，不可延展层容纳气动网络。

在一个或多个实施例中，第一层是可延展层，第二层是不可延展层，第一层比第二层薄。

在一个或多个实施例中，第一层是可延展层，第一层容纳气动网络，第二层是不可延展层，可任选地，第二层由较硬的热塑性材料构成，并且例如，第二层包括粘接到或嵌入到热塑性层中的非弹性织物、网状结构或网状物。

在任何前述实施例中，第一热塑性层和第二热塑性层彼此直接地粘接，或者第一热塑性层和第二热塑性层通过一个或多个中间层彼此粘接。

在任何前述实施例中，气动网络是热压印的气动网络，或者气动网络被从层切割以形成通道和腔室。

在一个或多个实施例中，该装置还包括第三热塑性层，其中：第一热塑性层包括可延展层，第二热塑性层包括不可延展层，第三热塑性层设置在第一热塑性层和第二热塑性层之间并且容纳气动网络，可任选地，不可延展层包括粘接到或嵌入到第二热塑性层中的非弹性织物、网状结构或网状物和/或可延展层包括粘接到或嵌入到第一热塑性层中的弹性织物、网状结构或网状物。

在一个或多个实施例中，第三热塑性层由两个或更多个子层构成，这些子层组合起来形成气动装置。

在任何前述实施例中，热塑性层中的至少一个层包括热弹性材料，可任选地，热弹性材料是热塑性聚氨酯。

在另一个方面中，致动软质机器人装置的方法包括：提供如本文所述的软质机器人装置；以及加压气动网络，使得可延展层膨胀并且使得软质装置从第一休止位置运动到第二致动位置。

在另一个方面中，制造软质机器人装置的方法包括：提供第一热塑性层和第二热塑性层；以及向第一热塑性层和第二热塑性层施加热和/或压力以热粘接各层，其中：至少一个层由可延展热塑性材料构成；至少一个层是不可延展层；并且至少一个层包括气动网络，其中该气动网络被构造成与加压源流体接触。

在一个或多个实施例中，不可延展层容纳气动网络。

在一个或多个实施例中，第一层是可延展层，第二层是不可延展层，第一层比第二层薄。

在一个或多个实施例中，第一层是可延展层，第一层容纳气动网络，第二层是不可延展层，可任选地，第二层由较硬的热塑性材料构成，和/或第二层包括粘接到或嵌入到热塑性层中的非弹性织物、网状结构或网状物。

在一个或多个实施例中，第一热塑性层和第二热塑性层彼此直接地粘接，或者第一热塑性层和第二热塑性层通过一个或多个中间层彼此粘接。

在一个或多个实施例中，该方法还包括：将气动网络热压印到热塑性层中，或者切割热塑性层以形成气动网络的通道和腔室。

在一个或多个实施例中，该方法还包括：提供第三热塑性层并且将第三热塑性层设置在第一热塑性层和第二热塑性层之间，其中：第一热塑性层包括可延展层，第二热塑性层包括不可延展层，第三热塑性层容纳气动网络。

在一个或多个实施例中，不可延展层由粘接到或嵌入到第二热塑性层中的非弹性织物、网状结构或网状物制成。

在一个或多个实施例中，可延展层由粘接到或嵌入到第一热塑性层中的弹性织物、网状结构或网状物制成。

在一个或多个实施例中，至少一个热塑性层包括热弹性材料，可任选地，热弹性材料包括热塑性聚氨酯。

以下图示和描述本发明的这些和其它方面和实施例。

附图说明

参考以下的附图描述本发明，这些附图仅仅是示例性的而非限制性的。

在附图中：

图1为根据一个或多个实施例的用以形成软质机器人机器的热粘接过程的示意图。

图2为根据一个或多个实施例的在热塑性片材中热压印气动网络的示意图。

图3为根据一个或多个实施例的背衬热粘接到气动网络的示意图。

图4A为例如图4B所示的四足软质机器人的热压印过程的示意图。

图5为根据一个或多个实施例的连续压印过程的示意图。

图6A-6C为根据一个或多个实施例的利用激光切割片材的热粘接过程的示意图，其中图6A示出了用来制造气动通道的两个居中地定位的热塑性层的平面图，图6B示出了用来制造软质机器人机器的组合物、层顺序和层厚度尺寸的横截面图，图6C为根据一个或多个实施例的软质机器人机器的分解图。

图7A-7C为根据一个或多个实施例的利用激光切割片材的热粘接过程的示意图，其中图7A示出了用来制造气动通道的居中地定位的热塑性层的平面图，图7B示出了用来制造软质机器人机器的组合物、层顺序和层厚度尺寸的横截面图，图7C为根据一个或多个实施例的软质机器人机器的分解图。

图8为根据一个或多个实施例的软质机器人装置的致动的示意图。

图9为根据一个或多个实施例的指状物装置的启用的示意图。

图10为根据一个或多个实施例的在每个端部处连接的两个指状物装置的启用的示意图。

图11A为利用在每个端部处连接的两个指状物装置制造的牵开器的示意图，图11B为牵开器的粘接端部的图片，示出了粘接边缘，图11C为根据一个或多个实施例的致动的牵开器的图片。

具体实施方式

描述了利用热塑性材料制造软质机器的规模化工序。该机器包括弹性的可膨胀的(可延展)第一层和较硬的不可延展的第二层，第二层热粘接到第一层。各层可以彼此直接粘接，或者它们可以通过一个或多个中间层粘接。该机器还包括气动网络，该气动网络被加压以致动该机器。气动网络可以位于可延展层中或位于不可延展层中，或者位于这两个层之间的中间第三层中。较硬的不可延展层可以任选地包括加强层，例如纸张或网状织物。

在一个或多个实施例中，可以通过热粘接各热塑性材料层来制造软质机器人机器。热塑性材料在特定温度之上变成柔韧的或可模制的，并且在冷却的情况下固化。至少一个层是热塑性弹性体。热塑性弹性体拥有热塑性和弹性体两者的特性。可以通过向各个材料片材(例如热塑性片材、网状片材、织物(刚性的/可延展的)、塑料片材、金属等)施加热和/或压力以形成软质机器，来形成软质机器人机器。热压印使得热塑性材料能够与非弹性体材料容易地结合，类似网状物、塑料片、织物(可延展的和不可延展的)等。

图1示出了示例性的热粘接过程。两个热塑性材料片材被带到一起。这些片材中的至少一个是热塑性弹性体。第二片材是热塑性材料，并且可任选地也可以是热塑性弹性体。向期望进行粘接的那些区域施加热。加热和/或压力可以是通过与热表面物理接触，或者通过激光加热或任何常规方法。在施加热的那些区域中，热塑性材料被软化并粘接在一起。然后，本体被冷却以重新固化热塑性材料并形成牢固粘接。在一个或多个实施例中，材料可以是类似的组合物，以增强两个层之间的粘接强度。可以利用加热和/或压力形成整体化的弹性体装置或部件。

在致动期间，弹性特性可以在软质机器人装置中用于进行弹性膨胀。在一些实施例中，可延展层可以包括气动网络。在其它实施例中，不可延展片材比第一可延展层厚，并且包括限定了气动网络的负空间。在一个或多个实施例中，第二片材可以包括嵌入到其中的增强织物，以增强该层的不可延展性。

如在此所用的，“不可延展”是相对术语，用来表示软质机器中相对于其它层的层特性。也就是，“不可延展”层相对于“可延展”层需要较大的加压力来使得层的尺寸膨胀或延展。

利用热塑性粘接生产软质机器比之前用于制造软质机器的常规模制技术更加快速。在具有或不具有气动网络的情况下，可延展层可以通过若干中制造技术(例如激光切割、卷轴式切片、压印、3D打印等)形成。利用加热和/或压力可以快速地实现将不同的层(例如可延展和不可延展层)组合起来。热塑性塑料被快速地热密封。两个热塑性弹性体层可以利用热进行粘接，以形成几乎连续的部件。固化的液态弹性体(例如室温固化橡胶)不需要用来制造这些软质机器。因此，热粘接方法不需要模制弹性体情况下的硬化等待时间。

在一个实施例中，热压印方法用来形成软质机器，该软质机器具有一个或多个互连的内部(气动)腔室。图2为示例性热压印过程的示意图。提供气动网络的负复制品模具。该模具用来将负空间压印到片材上以用于气动通道。如图所示，凸起特征结构的高度(例如通道的深度)、凸起特征结构之间的间距(例如通道之间的间距)和凸起特征结构的宽度(例如通道的宽度)选择成用以限定最终的气动网络特征结构。负复制品模具可以由任何常规手段制成，例如平版印刷技术、激光技术或3D打印。3D打印是用于制造负模具的廉价、通用且快速的方法。

接下来，热软化的热塑性片材被压制到模具中并且被释放。热塑性层或片材被加热以软化，气动网络的负复制品模具被压到软化的层中，以提供气动层的印记。热塑性片材保持压印的气动通道的印记。

在形成气动网络之后，施加背衬以形成通道，如图3所示。背衬通过热粘接施加到压印的片材以密封这些腔室。用于气动通道的片材和背衬片材均是热塑性材料。在一个或多个实施例中，它们可以是热塑性聚氨酯(“TPU”)。

软质装置可以利用层厚度的差异来形成用于致动的可延展性差异。因此，相同的材料能够用于制造该装置。在一个实施例中，热弹性材料选择成使得薄的背衬片材是可延展层。在该例子中，较硬的(例如不可延展的)层是容纳气动网络的较厚的片材。

在其它实施例中，聚氨酯选择成使得薄的背衬片材比容纳气动网络的较厚片材硬(例如不可延展的)。在一个或多个实施例中，两个层由相同的热塑性弹性体制成，但是背衬片材包括增强织物以使其不可延展。

在一个示例性实施例中，薄的热塑性层的厚度为0.2mm，容纳气动网络的厚的层的厚度为2.0mm。然而，热压印可以用于不同的聚合物材料和厚度的范围。在理论上对热塑性层的长度和宽度尺寸没有限制。在某些实施例中，侧向尺寸(长度和宽度)可以宽泛地从10μm变化到1m；而厚度可以从10μm变化到10cm。

压印技术并不限于简单的“臂”状几何结构，并且可以用来制造具有更复杂形状的软质机器人。图4A为可以用来制造四足软质机器人(例如如图4B所示的软质机器人)的压印过程的示意图。

这些软质机器装置可以通过连续制造过程制成。如图5所示，提供了卷轴对卷轴的制造。该热压印方法使得软质机器能够进行卷轴式制造(无论全部装置，还是可以在之后组合的单个致动构建块)。该过程类似于软平版印刷的第一个步骤。气动网络的负复制品模具固定到背衬，例如轮，该轮被压制或滚动到加热的聚合物片材上，以压印气动网络。然后，压印的聚合物片材可以在后续的连续过程中热粘接到背衬层，以形成软质机器人。

这些软质机器的一种成分是热塑性塑料。在一个例子中，可以使用热塑性聚氨酯(“TPU”)。TPU在加热到临界温度以上(例如超过60℃或超过170℃)时变成液状，并且在冷却之后变成固状并保持其形状。冷却的塑料可以在从刚性到柔性的范围内。TPU通过以下的反应形成：(1)与短链二醇(所谓的增链剂)进行二异氰酸酯化；以及(2)与长链二醇进行二异氰酸酯化。实际上，通过改变三个反应组合物的结构和/或分子量而能够获得的不限数量的可能组合允许获得巨大数量的不同TPU。因此，能够选择具有期望最终材料特性的合适的TPU，例如用于气动网络或较硬的基部的合适的弹性。合适的TPU是得自BASF的Ellastane TPU族。

气动网络可以利用平面模具/印记在5分钟或更短的时间内压印到热塑性材料中。常规的软质机器要求液态弹性体在模具内固化——这种要求在橡胶固化时占据了模具。较快的压印过程可以允许较快的制造，原因在于模具仅仅用来进行快速压印。

在另一个方面中，各层不需要进行压印。例如，利用已经被切割(例如激光切割)以形成通道和腔室的热塑性层来制备软体机器。激光切割或模具切割可以用来制造错综复杂的气动网络；通过软平版印刷方法不能够获得这样的气动网络/设计。

可以利用激光切割器将气动通道切割成厚的片材。利用简单的二维设计，多个层可以组合以提供用于气动网络的流体通路。多个热塑性层可以用来构建具有不同材料的装置。如图6A所示，第一层可以包括限定了气动腔室的一组矩形特征结构(左)，第二层可以限定出通道，该通道在整个气动腔室上成横向，并且能够用作空气通道以气动地连接各腔室(右)。各层可以由相同的材料制成并具有相同的厚度，使得两个层一旦热粘接就可以操作为单个单元。气动系统利用热塑性材料的上下薄层(例如薄的TPU层)进行热密封。不同刚度的上下片材可以用在顶部和底部表面上，以产生使装置优先地沿一个方向充气所需的材料差异。例如，斯潘德克斯弹性纤维(可延展)可以用在顶部上，尼龙(不可延展)可以用在底部上。图6B中的横截面图示出了各个层和示例性的层厚度。图6C示出了相同的层的分解透视图。因此，不依赖于具有不同厚度的TPU层来产生刚度差异，均匀厚度的本体可以用作可延展和不可延展层。层的热塑性特性允许将所有的层热粘接在一起。

图7为采用多个热粘接层的软质可致动装置的另一个实施例。在该实施例中，气动网络被切割成较厚的TPU层，每个通道的纵横比为两倍长，如图7A和7B所示。两个薄的TPU层处于气动通道的侧面，并用来密封作为流体容器的流体通道。斯潘德克斯弹性纤维(可延展)和尼龙(不可延展)的外层粘接到TPU薄层。图7C示出了相同的层的分解透视图。

图8示出了根据一个或多个实施例的软质机器“指状物”的致动。在该实施例中，薄的片材用作可延展层，具有气动网络的较厚的层用作较硬的不可延展层。在休止时(如左侧所示)，软质机器人机器是平坦的。一旦被加压，薄的层就膨胀并向外弯曲，使得机器弯曲远离可延展层(如右侧所示)。

可以形成具有不同功能的不同装置，例如具有指状物(或者当使用相反致动方向的两个指状物时，夹持器)和牵开器功能的装置，例如如图9和10所示。单个单元“指状物”装置可以用作构建块，以产生更加复杂的运动和功能。例如，两个“指状物”可以在短边缘处粘接，以形成能够可逆地打开和关闭的装置。图11示出了已经利用该原理构建的牵开器。图11A为利用在每个端部处连接的两个指状物装置制造的牵开器的示意图。如图11A所示，两个指状物致动器1100可以在一个端部1120处永久地粘接，而另一个端部1130可以具有可逆的粘接，例如其能够联接和脱开。打开和关闭牵开器的能力使其能够容易地用于外科设定。图11B为在牵开器的端部处的可逆连接的图片，示出了粘接边缘1140，图11C为根据一个或多个实施例的致动的牵开器的图片。

常规的软质机器也可能难以修复。一旦可延展和不可延展层剥离，它们难以再次回复到一起。热可以用来修复小的缺陷，类似分层或破裂。基于热塑性的软质机器可以通过再次热压制该装置来进行修复。热可以全局地(例如在整个装置上)或局部地(例如在小区域中)施加以修复该装置。

软质机器的致动可能需要装置的机械特性的各向异性。通过使用热塑性，可以将具有类似化学特性(例如聚氨酯、硅树脂等)但具有不同机械特性的两种材料结合，以形成连续的固体单元。

单个的致动器或机器或装置(例如构建块)可以被构造，然后更容易地组合，以形成更加错综复杂的软质机器。通过组合单个构建块并施加热以连接致动器，可以制造这些复杂的软质机器。

除非在本文中另外地限定、使用或表征，否则本文所用的术语(包括技术和科学术语)将被解释为具有与其在相关领域中被接受的意义相一致的意义，而不以理想化的或过于正式的意义进行解释，除非在本文中明确地这样限定。例如，如果参考具体的组合物，那么该组合物可以是基本上完美纯粹的，尽管不是完美纯粹的，原因在于实际上可能应用的是不完美的现实情况；例如，可能存在至少微量杂质(例如小于1或2％)应当理解为处于本说明书的范围内；同样，如果参考具体的形状，那么该形状将包括相对于理想形状的不完美的变型形式，例如由于制造公差所导致的。本文所表示的百分比或浓度可以表示重量或体积的百分比或浓度。

尽管术语第一、第二、第三等在本文中可以用来描述各个元件，但是这些元件并不限于这些术语。这些术语简单地用来将一个元件与另一个元件区分开来。因此，以下讨论的第一元件可以叫做第二元件，而不脱离示例性实施例的教导。为了描述方便，空间相对术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等，可以在本文中用来描述一个元件与另一个元件的如图所示的相对关系。应当理解，除了本文描述的和附图所示的取向之外，空间相对术语以及图示的构造旨在涵盖设备在使用或操作时的不同取向。例如，如果图中的设备翻转，那么描述为处于其它元件或特征“下方”或“之下”的元件将取向为处于该其它元件或特征的“上方”。因此，示例性术语“上方”可以涵盖上方和下方的取向。设备可以以其它方式取向(例如旋转90度或者处于其它取向)，并且本文所用的空间相对描述进行相应的解释。另外，在本公开中，当一个元件与另一个元件的关系被称为“在……上”、“连接到”、“联接到”、“与……接触”等时，其可以直接处于该另一个元件上、直接连接到该另一个元件、直接联接到该另一个元件、与该另一个元件直接接触，或者可以设有中间元件，除非另外指明。

本文所用的术语用于描述特定的实施例，而并不用于限制示例性实施例。如在此所用的，例如“一”和“该”的单数形式旨在同样包括复数形式，除非文中以另外的方式限定。

因此，上述具体实施例被认为是示例性的而非限制性的。除了例行试验之外，本领域技术人员将会理解或能够想到采用本文所述的具体实施例的多种等同形式。本发明的范围如所附的权利要求及其等同形式所列出，而不是被限制到前述说明中包含的例子。

要注意的是，一个或多个公开、专利申请、专利或其它参考文献结合在本文中。任何所结合的材料与本公开不一致的程度，本公开应当控制。