聚氨酯基多孔结构在机器人抓取应用中的热机械性能设计与评估

为解决柔性机器人抓取部件在高温环境下机械性能下降的问题，研究人员采用牺牲模塑技术开发了一种基于聚氨酯(PU)的多孔抓取结构。通过3D打印PVA模板灌注聚氨酯树脂并溶解模板，获得具有反螺旋二十四面体(counter gyroid)拓扑的轻量化结构。压缩测试表明该结构在20°C时最大载荷达294.2N，但在140°C时骤降至166.71N，热成像分析证实其低导热特性。该研究为开发适应中温环境的柔性抓取部件提供了新思路。

　　

在工业自动化和柔性机器人领域，传统刚性抓取器面临难以适应不规则物体和高温环境的双重挑战。随着协作机器人(COBOT)在焊接、铸造等场景的应用扩展，末端执行器需要兼具柔顺性和耐热性——现有研究表明，工业机器人关节温度可达60°C，而热加工场景更面临140°C的极端工况。这种需求催生了对新型功能材料的探索，其中聚氨酯(PU)因其优异的弹性和可调力学特性备受关注，但其高温性能衰减机制尚不明确。

Merdan Ozkahraman团队在《Engineering Science and Technology, an International Journal》发表的研究，创新性地将增材制造与牺牲模板法结合，通过熔融沉积成型(FDM)打印水溶性聚乙烯醇(PVA)框架，灌注聚氨酯树脂后溶解模板，构建具有反螺旋二十四面体(counter gyroid)拓扑的多孔结构。研究采用液压压缩测试系统，结合红外热像仪，在20-140°C区间定量分析力学性能变化，并通过火焰测试评估热阻特性。

3.1. 制备与结构分析

通过密度测试揭示多孔结构的有效性，测得实际密度0.74169 g/cm³，相对密度0.603，证实成功构建互连孔隙网络。溶解PVA后获得的PU框架完整保留设计几何特征，扫描电镜显示孔隙分布均匀。

3.2. 压缩性能的温度依赖性

室温(20°C)下试样展现脆性断裂特征，峰值载荷294.2N；当温度升至140°C时，材料呈现类流体行为，最大载荷下降43%。力-位移曲线显示能量吸收从45.6J(20°C)锐减至24.3J(140°C)，表明玻璃化转变导致能量耗散机制失效。

3.3. 热机械耦合效应

红外热像图揭示应力集中区域与高温区高度重合，140°C测试时接触面温度梯度达85°C/cm。火焰测试中，直接灼烧8分钟后仅局部区域超过200°C，证实材料具有优异的绝热性能，但热软化温度阈值为140°C。

这项研究系统阐明了多孔聚氨酯结构的"温度-力学性能"映射关系，其创新点在于：首次将反螺旋二十四面体拓扑应用于抓取器设计，通过实验证明该结构在<100°C工况下兼具柔顺性和载荷能力；建立的热失效预测模型为后续材料改良指明方向。尽管高温稳定性有待提升，但提出的牺牲模塑工艺为复杂孔隙结构的批量制造提供了新范式，在汽车制造中高温部件抓取、电子元件柔性装配等领域具有应用潜力。作者建议未来可通过添加纳米粘土或碳纤维提升热变形温度，同时建议开展实际抓取工况下的耐久性验证。