柔性硅胶装置的设计与制作科普解析

像人手一样灵活的“蓝色夹爪”  SRT软体机器人

图中灵活的“蓝色夹爪”来自软体机器人公司，它就跟我们人类的手一样，可以轻轻地抓起茶壶盖，还能稳稳地拎起茶杯——注水、泡茶、倒茶，一整套动作可以如行云流水般流畅，它即便是摘草莓都能完成自动抓取不破损。

而“蓝色夹爪”如此强大功能的“秘密”，原来就藏在机器人前端的柔性夹爪上，它涉及弹性体材料技术、结构设计和控制技术，技术复杂度高，目前全球仅有2家公司掌握。

软体机器人源自仿生学，对海洋中的软体生物进行拟态研究，通过使用柔性硅胶材料制成的柔性仿生样机模型，实现水下生物柔顺、连续平滑运动，并搭建出与环境具有高度适应性的机器人系统…

孵化课堂

没错，本期的内容正是关于柔性硅胶材料的装置、结构设计等。要知道，在中学生的科研领域，那些很多富有灵感创意的独特性想法都源自于我们社会前沿科技创新成果的延伸和拓展、以及还有我们熟悉的一些国际顶尖科研赛事的优秀项目所带来的启发效应。

每年，全球顶尖的高校都大力投入科研、它们会与不同院校机构、科技企业等合作创新。

所以，这些资讯渠道既是我们中学生做科研的风向标之一，也可以是我们平时在科创方向上学习积累的生动教材。

Top Three Grand Award Winners ISEF 2019

PHOTO COURTESY OF SOCIETY FOR SCIENCE & THE PUBLIC/CHRIS AYERS

今天，老师从2019年ISEF中众多的优秀学生作品中，通过进一步的研究和思考延伸，在工程研究领域给同学们科普和浅析一下，有关于柔性硅胶装置的设计制作过程，为喜欢科创和未来想要尝试实物孵化的同学，带来了更多的启迪和灵感，下面就正式进入课程啦！

01、什么是柔性硅胶装置？

柔性硅胶装置是主体结构由硅胶浇筑成的一类装置，利用自身的柔性变形使其形成一些特定动作。

为了达到一些特定的动作，需要贴附一些延展性较差的材料或者多个硅胶结构的组合。

一般使用充气或引线牵引驱动、但也有个别结构使用充水的方式驱动。

（大部分硅胶结构的驱动装置展示图，图源网络）

从上图中，我们可以从上到下来看，a类结构主要是在一侧使用一种延展性较差的材料，然后通过充气使其上下达到不同的延展性，从而产生弯曲。

这和d结构中有一些类似的地方，也有一些不同，d结构通过设计一些矩形空腔增大了变形的量，所以它一般能够产生一个更大的弯曲程度。

而b结构中，通过延展性较差的材料，约束镜像的变形，使其只能够轴向变形，从而达到它伸长的一个动作要求。

上图的c结构呢，则是通过网状编织结构，使其充气之后膨胀，由于编织结构的不可延伸性，那么它交错性的角度变大，从而实现了缩短的动作。

然后，再来看上图所示的结构右侧，a类结构我们当时使用的是一个不同厚度的硅胶，所浇筑成的一个气动肌肉结构。那么由于上下硅胶的厚度不同，它的延展性也自然不同，使其充气之后就会形成这样一个弯曲的现象。

（以上图片来源于网络）

从上方往下的第二张图中，可以看到充气之后变弯曲的现象，那是由于它底部所粘附的是一层纺织物（简单理解为一层布），由于布的延展性比较差，所以，它的弯曲程度能够更多。

02、为什么要使用柔性硅胶装置呢？

材质柔软

柔性硅胶装置柔软的特性可应用于水果采摘机械爪的装置当中，正如本文一开始所展示的智能“蓝色夹爪”，又或是下图所展示的柔性机械手正在采摘西瓜的实景。

（五指仿生柔性机械手抓取西瓜，图源网络）

由于我们在设计采摘结构的时候，一定会需要考虑到采摘的物品类型，那么我们在采摘水果这一类物体，由于它们大部分的表面比较柔软，那么在选择使用一些材料的时候，它原本的刚性结构就需要非常高的控制精度，这样才能无伤我们所采摘的水果。

（柔性硅胶夹爪采摘水果展示图，图源网络）

我们若是使用柔性硅胶装置的话，首先它的材质比较柔软，同时它表面的摩擦系数也非常得高，所以它非常有利于我们设计、以及制作这种抓取装置。

可塑性好

同时，由于它的可塑性较好，所以我们可以设计各种各样的模具，然后将它浇筑在模具里面，那就能够形成我们所需要的一个结构形状。

例如，我们下图中就是柔性硅胶所制作成一个机器鱼，它尾部形状类似一个流线型。

（柔性硅胶机器鱼展示，图源网络）

我们如果利用现有的结构进行设计制作的话，可能需要使用3D打印，而我们所设计的刚系结构也要设计一些间隙，以便让它灵活的摆动。

使用我们的柔性硅胶结构，也就意味着可以充分利用其自身的柔性性和延展性的特点，从而达到一个灵活的、生动模仿鱼类尾部摆动的一个效果，

布置灵活

表面摩擦系数高

布置灵活主要是体现在驱动方式上，一般情况下，我们所使用的常规驱动方式是往里面充气或者是拉线，这样的话，就能比较容易地做成了一个模块化。

（图片来源于网络）

传统的驱动方式，比如硬质的结构当中，就需要使用连杆或者是齿轮等一些机械的传动方式。

那这样的话，传动结构就会比较复杂了，而且还需要考虑距离等因素。但如果我们用充气的方式的话，只需要去改变我们的气管长度，便能够非常方便的设计一些传统结构了。

（图片来源于网络）

我们可以看到，上图的这张示意图中所制作的机器人，它的每一条腿，都被做成一个单独的模块，它们能够非常容易地做成一个整体， 最终形成了我们所看到的这样一个模块化的机器人。

03、如何制作柔性硅胶装置？

图片来源于网络

确定需求，探讨方案

这是前期中非常重要的一点，我们在设计装置的过程中，一定要有一些独特的应用场景，不同的应用场景会出不同的方案。

在探讨完方案以后，才能够去设计我们的主体硅胶结构。比如说，我们设计的是一个类似八爪鱼的柔性结构，那我们就需要把它的柔性主体设计成一个从小到大并且是一个锥型的触角结构。

当然，我们如果去设计另外一个结构，例如爬行结构的时候，那就需要将它设计成一个矩形，或者是我们其他需要的另外结构。

图片来源于 ResearchGate

设计主体硅胶结构

接下来，我们再需要根据设计的主体结构设计相应的模具。这个模具的设计，非常影响我们后续的加工，因为模具设计的好坏，会直接影响到我们制作的一个成功率！

混合硅胶，抽真空消除气泡

然后，再是我们后期混合硅胶，通过真空机消除搅拌过程中所产生的一些气泡，然后再浇筑到我们的模具之中。

浇筑或灌注硅胶  加热65℃  15分钟

这基本是设计和制作的最后一步了，加热65摄氏度，加热时间15分钟。

这个数据是如何得到的呢？

这是我们机构亲自实验后得到的结果。

温度越高，会让我们硅胶干得越快，但是同时，过高的温度会让其中一些微小的气泡，因为受热而膨胀变大，这会直接影响我们的结构。

所以说，在加热温度和时间，我们选取了一个平衡，就是65摄氏度，15分钟，这便能达到一个较快且较好的效果。

脱模

（图片来源于网络）

整个设计制作过程完成后，接下来就到了最后的脱模环节。

但要注意的是，在脱模之后，还需进行一个修边或者是贴附一些织物等，然后就大功告成了。