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Engineering

오블리크 챔버와 함께 부드러운 공기 네트워크 액츄에이터의 제작

Published: August 17, 2018 doi: 10.3791/58277
* These authors contributed equally

Summary

여기 선물이 오블리크 챔버와 함께 부드러운 공기 네트워크 액츄에이터의 제조 방법. 액추에이터는 부드러운 로봇에 응용 프로그램을 확장 결합 된 굽 힘과 움직임, 왜곡을 생성 할 수 있다.

Abstract

부드러운 공기 네트워크 액추에이터 소프트 로봇에 가장 유망한 개폐 장치 중 하나는 혜택을에서 그들의 큰 굴곡 변형 및 낮은 입력 되고있다. 그러나, 2 차원 (2 차원) 공간에서 그들의 단조로운 벤딩 모션 형태는 다양 한 응용 프로그램에서 그들을 유지합니다. 이 종이를 3 차원 (3 차원) 공간에서 자신의 움직임을 탐험 오블리크 챔버와 함께 부드러운 공기 네트워크 액츄에이터의 상세한 제조 메서드를 제공 합니다. 오블리크 챔버의 디자인 결합 벤딩 기능, 왜곡 하 고 그들에 게 dexterously 유연한 조작자, 생물학으로 고무 된 로봇 및 의료 기기 이동 가능성을 주는 가변으로 작동 수 있습니다. 제조 공정 실리콘 탄성 중합체 준비, 챔버 및 기본 부품 제조, 액츄에이터 어셈블리, 배관 연결, 누수, 액추에이터 복구에 대 한 검사를 포함 하 여 성형 방법을 기반으로 합니다. 제조 방법은 금형에만 몇 가지 수정 액츄에이터의 일련의 급속 한 제조를 보장합니다. 테스트 결과 액추에이터 저명한 굽 힘 및 능력을 왜곡의 높은 품질을 보여 줍니다. 그리퍼의 실험에는 다른 직경을 가진 개체에 적응 하 고 충분 한 마찰을 제공 하는 개발의 장점을 보여 줍니다.

Introduction

부드러운 공 압 액츄에이터 (스파)는 부드러운 공기 압력1,2의 간단한 입력으로 작동 될 수 있는. 그들은 실리콘 탄성 체3, 직물4, 형상 기억 고분자5, 유 전체 탄성 체6등 다양 한 재료로 날조 될 수 있다. 스파 소프트 로봇 응용 프로그램8,9에 대 한 가장 유망한 장치 중 하나 되는 연구원의 준수, 교묘한 움직임, 및 간단한 제조 방법7, 그들의 성격에서 혜택을 했습니다. 스파10, 회전11, 들어온다 및12 의 변형, 확장, 확대, 절곡, 왜곡 하 고13, 를 포함 하 여 다양 한 종류에 따라 압 연 하 여 다양 한 정교한 동작을 실현할 수 있습니다. 14. 동작의 종류를 만들 수, 스파는 병렬 채널15,16, 섬유 보강재 단일 챔버와 선형 시체 같은 다른 구조에 설계 되었습니다 및 네트워크의 반복 하위 챔버17. 그 중 반복된 하위 챔버, 부드러운 공기 네트워크 액츄에이터의 네트워크와 스파 그들은 상대적으로 낮은 입력된 압력 하에서 큰 개를 생성할 수 있기 때문에 널리 채택 된다. 그러나, 이전 디자인의 대부분에서는, 액추에이터의이 종류 벤딩 동작 크게 그들의 응용 프로그램을 제한 하는 2 차원 공간에서 생성할 수 있습니다.

부드러운 공기 네트워크 액추에이터 챔버 내부 채널에 의해 연결 된 선형 배열된 그룹으로 구성 됩니다. 각 입방 챔버 다른 쌍 보다는 반대 벽의 쌍을 포함 하 고 얇은 벽에 수직인 방향으로 2 면 인플레이션을 생성 합니다. 원래, 챔버의 얇은 벽 액추에이터 본문의 긴 축에 수직이 고 긴 축 함께 급증. 이 일 직선상 inflations 챔버와 확장 가능한 비 기지에는 완전 한 순수 굽 힘 액추에이터의 이어질. 3 차원 공간에서 액추에이터의 움직임을 탐구 하는 챔버의 방향 조정 되도록 얇은 쪽 벽은 더 이상 각 챔버의 인플레이션 방향을 수 없습니다 (그림 1A), 액추에이터의 긴 축에 수직인 축에서 오프셋 하려면 선적 된다. 모든 병렬 하지만 아니라 선적 inflations 결합 절곡 및 3 차원 공간18에서 모션을 왜곡으로 액추에이터의 동작을 변경 합니다. 이 결합 된 모션 더 많은 유연성과 손 재주는 액추에이터를 사용 하며는 액추에이터 유연한 조작자, 생물학으로 고무 된 로봇, 의료 기기 등 더 실용적인 응용 프로그램에 대 한 적합 한 후보.

이 프로토콜 오블리크 챔버와 함께 부드러운 공기 네트워크 액추에이터의이 종류의 제조 방법을 보여줍니다. 그것은 실리콘 탄성 중합체, 챔버 및 기본 부품, 액추에이터를 조립, 연결 튜브, 누수, 검사 및, 필요한 경우 복구 액추에이터 조작 준비 포함 한다. 그것은 또한 정상적인 부드러운 공기 네트워크 드라이브 및 성형 방법에 대 한 몇 가지 간단한 수정으로 생산 될 수 있는 다른 소프트 액츄에이터를 조작 하 사용할 수 있습니다. 우리는 30 ° 경사 챔버와 함께 부드러운 공 압 액츄에이터를 조작 하는 자세한 단계를 제공 합니다. 다른 응용 프로그램에 대 한 다른 챔버 각도와 액츄에이터 같은 프로토콜에 따라 날조 될 수 있다. 그 외에, 다양 한 요구에 대 한 멀티 액츄에이터 시스템을 형성 하는 액추에이터를 결합할 수 있습니다.

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Protocol

참고: 프로토콜 부드러운 공기 네트워크 액추에이터의 제작 절차를 제공합니다. 제작 절차, 금형의 세트 및 여러 액츄에이터 튜브 커넥터, 하기 전에 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 소프트웨어 되어야 합니다 3 차원 인쇄 미리와 함께 설계 되었습니다. 금형은 그림 1B에 나와 있습니다.

1. 실리콘 탄성 중합체 준비

  1. 실리콘 엘라 스토 머 부품 B의 5 g와 45 g A 부분의 [무게에 의해 9:1 (A:B) 부품] 같은 혼합 컨테이너 (그림 2A)에 무게. 주사기를 사용 하 여 각 부분의 비율 정확한 지 확인 하.
    참고: 다른 실리콘 탄성 체에 대 한 혼합 비율에 따라 다릅니다. 다른 실리콘 엘라 스토 머가 채택 될 때 각 부분의 비율을 조정 한다.
  2. 실리콘 엘라 스토 머 행성 원심 믹서로 잘 섞어.
    참고: 실리콘 탄성 중합체 그것의 처리 시간을 연장 하는 낮은 온도에 저장 될 수 있었다.

2. 챔버 부품 제조

  1. 스프레이 형 부품 A와 파트 b.의 표면에 균일 하 게 실리콘 고무 제품에 대 한 금형 릴리스 에이전트
  2. 파트 A와 파트 B 챔버의 제조에 대 한 금형의 조립. 형 실리콘 탄성 중합체의 누설을 방지 하기 위해 클립의 양쪽 끝을 잡으십시오.
  3. 주사기와 실리콘 엘라 스토 머의 5 mL을 연결 끝 (튜브를 연결 하기 위한 액추에이터의 한쪽 끝에 원통형 구조) 날조를 위한 금형의 구멍에 천천히 주입. 그런 다음 전체 금형 채울 실리콘 엘라 스토 머 (그림 2B).
    참고: 낮은 유량을 유지 하 고 천천히 앞뒤로, 실리콘 탄성 중합체 형의 작은 구조를 입력 하도록.
  4. 아니 더 많은 거품 표시 (그림 2C) 될 때까지 바늘의 팁으로 표면에 형성 하는 거품 피어스.
  5. 금형의 상단 표면 따라 블레이드와 어떤 초과 실리콘 탄성 중합체 떨어져 다쳤어요.
  6. 70 ° C에서 오븐에서 두고 형 실리콘 탄성 중합체 치료 때까지.
  7. 주사기를 사용 하 여 거품과는 액추에이터의 표면에 나타나는 구멍에 실리콘 탄성 중합체 삽입 하.
  8. 어떤 과잉 실리콘 탄성 중합체 표면에 떨어져 다쳤어요.
  9. 70 ° C에서 오븐에서 두고 형 실리콘 탄성 중합체 치료 때까지.

3. 베이스 부품 제조

  1. C. 금형 부품의 표면에 실리콘 탄성 중합체 제품 몰드 릴리스 에이전트를 균일 하 게 스프레이
  2. 금형의 C 부분에 실리콘 고무를 붓는 다.
  3. 볼 수 없는 더 많은 거품 있다 때까지 바늘의 팁으로 표면에 형성 하는 거품 피어스.
  4. 금형의 상단 표면 따라 블레이드와 어떤 초과 실리콘 탄성 중합체 떨어져 다쳤어요.
  5. 70 ° C에서 오븐에서 두고 형 실리콘 탄성 중합체 치료 때까지.

4. 액츄에이터 어셈블리

  1. 기본 부품의 한 면에 균등 하 게 실리콘 탄성 중합체, 1 m m 두께의 레이어를 붓는 다.
  2. 기본 부분에 챔버 부분을 놓습니다. 주사기를 사용 하 여 챔버 부분과 기본 부분 (그림 2D) 사이의 공간에 주입 실리콘 탄성 중합체.
  3. 실리콘 엘라 스토 머 완 치 될 때까지 70 ° C에서 오븐에 액추에이터를 놓습니다.

5. 배관 연결

  1. 3 차원 인쇄 액츄에이터 튜브 커넥터의 남성 스 터 드 푸시에 나사에 맞는 공 압 피팅 수락을 누릅니다.
  2. 바늘을 사용 하 여 실린더의 중심선을 따라 액츄에이터의 연결 끝 피어스. 약 2 m m 강철 막대와 구멍의 직경을 증가.
  3. (그림 2E) 액추에이터로 액츄에이터 튜브 커넥터 스크류.
  4. 맞는 공 압 피팅 남성 스 터 드 푸시에 튜브의 섹션을 밀어.

6. 누설 검사 및 수리

  1. 공기 소스에 액추에이터를 연결 합니다.
  2. 물에서 전체 액추에이터를 배치 하 고 (그림 2F) 액추에이터 기 압. 거품은 누출 형성 여부를 관찰 합니다.
  3. 주사기를 사용 하 여 누출 포인트 실리콘 엘라 스토 머를 주입. 실리콘 엘라 스토 머 완 치 될 때까지 70 ° C에서 오븐에 액추에이터를 놓습니다.
  4. 필요한 경우 단계 6.1-6.3를 반복 합니다.

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Representative Results

단일 액추에이터:
제조 방법을 확인 하 고 액추에이터, 30 °, 45 °, 60 °의 기능을 설명 하 액추에이터 조작 하 고 테스트 했다. 실험 설정에 대 한 공기 펌프 밸브를 활성화 하기 위해 고용 되었다. 밸브는 내부 압력을 제어 하는 액추에이터를 연결 되었다. 단일 액추에이터의 연결 끝에 고정 하 고 수직으로 배치 했다. 액추에이터는 가압 되 고, 하는 동안 두 개의 디지털 카메라를 다른 관점에서 그것의 위치를 캡처 사용 되었다. 분명히 그 위치 (그림 3A) 액추에이터의 움직임을 분석 2 개의 매개 변수에 의해 기술 될 수 있다: 벤딩 각도 각도 트위스트. 이러한 두 매개 변수 숫자 다른 챔버 각도와 작동기의 성능을 구분할 수 있습니다.

굽 힘 시험 (그림 3B3c)을 왜곡 하 고 3 차원 공간에서 액추에이터의 움직임을 그림. 벤딩 각도 작동 식 개폐 위치에 바디 라인과18unactuated 상태 원래 바디 라인 사이의 각도가입니다. 트위스트 각도 작동 식 개폐 위치에 팁 라인과 unactuated 주18에 원래 팁 라인 사이의 각도가입니다. 그들은 관찰 하 고 0에서 90 kPa 10 kPa의 압력 단계를 계산 했다. 트위스트 각도 내부 압력의 증가 관하여 증가 그림 3B3c 에 선 음모 어떻게 모두 굽 힘 보여 줍니다. 굽 힘 및 트위스트 각 값은 액추에이터의 움직임에 챔버 각도의 효과 보여줍니다. 더 큰 각도와 챔버는 왜곡 보다 굽 힘에 더 많은 기여. 이 다양 한 구성 및 모션 고정 크기 액추에이터의 챔버 각도 조정 하 여 얻을 수 있습니다 나타냅니다. 그림 3B 3c, 실험에서와 같이 3 개의 시험된 액츄에이터 왜곡 하 고 절곡에 고유 기능을 보여주었다. 벤딩 기능, 30 °, 45 °와 60 °에 대 한 액추에이터 수 구 부 295 °, 217 °, 그리고 170 °, 각각. 트위스트 기능에 대 한 최대 트위스트 각도 30 °, 45 °, 60 ° 액추에이터에 대 한 되었고 227 °, 307 °, 382 °, 각각.

트위스트 각도 및 벤딩 각도의 비율 사용 하 여 다른 내부 압력 (그림 4)에서 각 테스트 액추에이터의 상태를 분석. 이 값 또한 전반적인 성능에 해당 하는 액추에이터의 챔버 각도 반영 수 있습니다. 단일 액추에이터로 비율의 값의 내부 압력 증가 함께 일반적인 쇠퇴를 보여줍니다. 액추에이터는 낮은 압력에서 시작 될 때 행동을 왜곡 하는 것은 지배적인입니다. 발동의 중간 범위에서 벤딩 동작 점차적으로 통용 하 고 트위스트 동작의 증가 속도 감소 하기 시작 합니다. 벤딩 동작 지배적 되 고 액추에이터 압력의 최대 용량에 도달할 때 비율의 값 최소에 온다. 매크로 관점에서 더 큰 챔버 각 액츄에이터 같은 가압 수준에서 비율의 더 큰 값을 갖습니다. 큰 챔버 각 액츄에이터는 작은 챔버 각도와 액츄에이터는 보조 왜곡 움직임 움직임을 절곡에 적합 하는 동안 더 많은 자기 왜곡 움직임에 대 한 것이 좋습니다. 이 비율은 때 액추에이터는 특정 한 용도 위한 챔버 각도의 결정 도움이 됩니다.

오블리크 챔버와 액추에이터의 응용 프로그램:
오블리크 챔버와 액츄에이터의 중요성은 3 차원 공간으로 네트워크 공 압 액추에이터의 동작 공간을 확장 하. 움직임의 더 풍부한 형태는 광범위 한 응용 범위를가지고 그들을 확인 합니다.

연약한 그리퍼의 핵심 요소로 액추에이터 오블리크 챔버와 함께 파악, 하 고 다른 모양, 특히 길고, 얇은, 및 막대 모양의 도형 개체에 그들의 우월을 보여줍니다. 항상 정상적인 공기 네트워크 작동에 따라 그리퍼 벤딩 반지름의 제한으로 인해, 얇은, 길고 막대와 같은 개체를 파악에 어려움이 있다. 그러나, 액추에이터 오블리크 챔버와 함께 생성 하는 개체에 따라 가변 헬리컬 구성 개체와 그 자체 사이의 충분 한 마찰을 제공 하 여이 제한을 극복할 수 있다. 그림 5A - 5 C 탁구 공, USB 디스크와 펜을 쥐고 한 30 ° 액추에이터를 보여 줍니다. 그림 5D -그리퍼 조립 플라스틱 튜브를 잡고 두 30 ° 액추에이터는 망치를 해제 하 고 측정 실린더를 조작 하는 5 층 표시 UR10 로봇 협조.

프로토콜에는 비스듬한 챔버와 함께 단일 액추에이터의 제조 방법을 제공 한다. 프로토콜에 따라 서로 다른 챔버 각도와 액츄에이터 단순히 금형을 수정 하 여 만들 수 있습니다. 액추에이터 직렬에서 또는 병렬로 연결 되 면 복잡 한 동작을 얻을 수 있습니다. 액츄에이터 및 그들의 배치의 프로그래밍 가능한 설계 보다 광범위 한 응용 프로그램에 대 한 좋은 가능성을 엽니다.

Figure 1
그림 1: 부드러운 공기 네트워크 액추에이터 및 금형. 이 패널에서 해당 금형 CAD 모델의 (A) 30 ° 경사 챔버와 액추에이터 및 (B)를 표시합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2 : 제작 프로세스의 개요. 이러한 패널 제조 프로세스의 다른 단계를 표시: (A) 무게는 실리콘 탄성 중합체, (B)는 실리콘 탄성 중합체, (C) 거품, (D) 조립 액추에이터, (E)에서 속이 고 피어 싱을 붓는 액추에이터-튜브 커넥터, 그리고 (F) 누수에 대 한 검사. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3 : 테스트 액츄에이터의. (A)이이 패널 90 kPa 0에서 30 ° 액추에이터의 위치 그림을 보여 줍니다. (B)이이 패널은 벤딩 각도 90 kPa 0에서 내부 압력을 보여줍니다. 그것은 왕 외. 에서 증 쇄 하는 18, Elsevier에서 허가입니다. (C)이이 패널은 트위스트 각도 90 kPa 0에서 내부 압력을 보여줍니다. 그것은 왕 외. 에서 증 쇄 하는 18, Elsevier에서 허가입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4 : 성능 평가. 이 패널의 트위스트 각도 및 벤딩 각도 30 °, 45 °, 60 ° 액추에이터, 10에서 90 kPa의 압력으로에 대 한 비율을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 5
그림 5 : 단일 액추에이터와 두 개의 액추에이터로 구성 된 부드러운 그리퍼의 실험. 단일 액추에이터 (A)는 탁구 공, (B)는 USB 디스크, 및 (C)는 펜을 grasps. 그리퍼 (D) grasps 플라스틱 튜브, (E) 리프트 망치, 그리고 (F) 측정 실린더를 조작. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

종이 오블리크 챔버와 함께 부드러운 공기 네트워크 액츄에이터의 제작 가이드 방법 프로토콜을 제공 합니다. 프로토콜을 따라 한 액추에이터 3 h 이내 독립적으로 날조 될 수 있다. 프로토콜의 주요 단계는 다음과 같이 요약할 수 있습니다. (i)는 실리콘 탄성 중합체는 비율에서 준비 하 고 잘 혼합. (ii)는 실리콘 탄성 중합체 챔버 부품과 기본 부품의 제조에 대 한 금형에 부 어 있다. (iii) 노출된 표면에 거품이 피어 싱 하 고 노출된 표면에 어떤 과잉 실리콘 탄성 중합체 긁어. (iv)는 실리콘 탄성 중합체는 오븐에 치료 된다. (두 부분 v)는 실리콘 탄성 중합체에 의해 함께 보 세. 오븐에 또 다른 치료 단계 제조 공정 완료 된다. (vi) 액추에이터 어떤 누수 확인을 공기 소스에 연결 되어 있습니다. 액추에이터 그것 누수 경우 실리콘 탄성 중합체로 고쳐져 야 한다.

조작된 액츄에이터의 품질과 작동 성능을 보장 하기 위해 프로토콜에 몇 가지 중요 한 단계 설명 다음과 같이 물자, 거품의 제거 및 공기 견고를 위한 연결 방법의 선택을 포함 합니다.

실리콘 엘라 스토 머는 액추에이터의 변형 능력을 보장 하기 위해 큰 인장 신장이 있어야 합니다. 또한, 실리콘 탄성 중합체 있어야 좋은 유동성 액체 상태에서 금형의 밀리미터 단위 기능으로 원활 하 게 부 수 있도록 합니다. 실리콘 엘라 스토 머는 프로토콜의 섹션 1에서에서 선택한 700% 인장 변형 및 액체 상태에서 낮은 점도를 생성할 수 있습니다. 이 실리콘 엘라 스토 머 위의 요구 사항을 충족 하는 다른 적절 한 재료로 대체할 수 있습니다.

붓는 과정에서 uncured 액추에이터의 내부 구조에 혼합 공기 금형 치료 액추에이터 결함을 피하기 위해 오븐에 배치 하기 전에 제거 되어야 합니다. 혼합된 공기 uncured 액추에이터 및 양식 거품의 노출된 표면에 일어날 것 이다. 따라서, 피어 싱 프로세스는 2-3 프로토콜의 섹션에서 실시 됩니다. 진공 챔버에 붓는 과정을 실시 하는 경우이 프로세스를 건너뛸 수 있습니다.

액추에이터와 공기 펌프 사이 공기 연결 공기 밀폐 되도록 잘 설계 되어야 한다. 일반적으로, 튜브 액추에이터로 직접 삽입 하 고 액추에이터에 단단히 붙어 있을 수 있습니다. 그러나,이 연결 방법을 지루한 작업을 필요로 하 고 종종 큰 내부 압력 누출 리드. 프로토콜의 섹션 5에서에서 메서드는 설치 하기 쉽고 더 안정적인 기계 연결 제공 합니다.

본질적으로, 2.5 D 제조 방법19은 성형 과정에서 프로토콜 루트의 제한. 챔버는 평면 형태와 여러 부분을 연결 하 여 이루어집니다. 따라서, 복잡 한 내부 구조와 소규모 특성은 달성 하기 어렵습니다. 부드러운 3 차원 인쇄 방법 최근 몇 년 동안에 등장, 하지만 이러한 인쇄 재료는 액추에이터 성형 기반 방법 달리 참을 수 있도록 너무 어렵다면 있습니다.

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Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

이 작품은 중국의 국가 자연과학 기초 그랜트 51622506 및 과학 및 기술 위원회의 상하이 시 그랜트 16JC1401000 아래에 의해 지원 되었다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silicone elastomer Wacker ELASTOSIL M4601 A/B Material of the actuators
Syringe  Shanghai Kindly Medical Instruments  10 ml Used to inject silicone rubber into the hole of the mold for fabricating the connection end
Precision scale Shanghai Hochoice UTP-313 Used to weigh the silicone rubber
Planetary centrifugal vacuum mixer THINKY ARE-310 Used to mix the silicone rubber and defoam after mixing process
Release agent Smooth-on Release 200 Used for ease of demolding 
Needle Shanghai Kindly Medical Instruments  Used for Piercing the bubbles form on the surface
Utility blade M&G Chenguang Stationery ASS91325 Used for Scraping off excess silicone rubber along the upper surface of the mold 
Vacuum oven Ningbo SI Instrument DZF-6050 Used to reduce the cure time of the silicone rubber
Male stud push in fit pneumatic fitting Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology PC4-01 Used to connect the tubing and the 3D-printed actuator tubing connector
Tubing SMC TU0425 Used for actuating the actuators
Vacuum pump Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology Used as the air source
Pressure valve Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology IR1000-01BG Used for adjusting the input air pressure

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References

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오블리크 챔버와 함께 부드러운 공기 네트워크 액츄에이터의 제작
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Ge, L., Wang, T., Zhang, N., Gu, G.More

Ge, L., Wang, T., Zhang, N., Gu, G. Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers. J. Vis. Exp. (138), e58277, doi:10.3791/58277 (2018).

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