This work presents a novel technique for direct 3D printing of soft pneumatic actuators using 3D printers based on fused deposition modeling (FDM) technology. Existing fabrication techniques for soft pneumatic actuators with complex inner geometry are normally time-consuming and involve multistep processes. A low-cost open-source consumer 3D printer and a commercially available printing material were identified for printing soft pneumatic actuators with complex inner geometry and high degree of freedom. We investigated the material properties of the printing material, simulated the mechanical behavior of the printed actuators, characterized the performances of the actuators in terms of their bending capability, output forces, as well as durability, and demonstrated the potential soft robotic applications of the 3D printed actuators. Using the 3D printed actuators, we developed a soft gripper that was able to grasp and lift heavy objects with high pay–-to-weight ratio, which demonstrated that the actuators were able to apply high forces. To demonstrate the ability of the actuators to achieve complex movements, such as bidirectional bending movements, we also developed wearable hand and wrist exoskeletons that were able to assist finger flexion and wrist flexion–extension. The proposed technique is the first-in-class approach to directly 3D print airtight soft pneumatic actuators for soft robotic applications using FDM technology.

In this paper, we present the design of a soft wearable exoskeleton that comprises of a glove embedded with pneumatic actuators of variable stiffness for hand assistive and rehabilitation application. The device is lightweight and easily wearable due to the usage of soft pneumatic actuators. A key feature of the device is the variable stiffness of the actuators at different localities that not only conform to the finger profile during actuation, but also provides customizability for different hand dimensions. The actuators can achieve different bending profiles with variable stiffness implemented at different localities. Therefore, the device is able to perform different hand therapy exercises such as full fist, straight fist, hook fist and table top. The device was characterized in terms of its range of motion and maximum force output. Experiments were conducted to examine the differences between active and passive actuation. The results showed that the device could achieve hand grasping and pinching with acceptable range of motion and force.

Despite the emergence of flexible and stretchable actuators, few possess sensing capabilities. Here, we present a facile method of integrating a flexible pneumatic actuator with stretchable strain sensor to form a soft sensorized actuator. The elastomeric actuator comprises a microchannel connected to a controlled air source to achieve bending. The strain sensor comprises a thin layer of screen‐printed silver nanoparticles on an elastomeric substrate to achieve its stretchability and flexibility while maintaining excellent conductivity at ≈8 Ω sq –1 . By printing a mesh network of conductive structures, our strain sensor is able to detect deformations beyond 20% with a high gauge factor beyond 50 000. The integration of a pneumatic soft actuator with our sensing element enables the measurement of the extent of actuator bending. To demonstrate its potential as a rehabilitation sensing actuator, we fit the sensorized actuator in a glove to further analyze finger kinematics. With this, we are able to detect irregular movement patterns in real time and assess finger stiffness or dexterity.

This letter presents a fully fabric-based bidirectional soft robotic glove designed to assist hand impaired patients in rehabilitation exercises and performing activities of daily living. The glove provides both active finger flexion and extension for hand assistance and rehabilitative training, through its embedded fabric-based actuators that are fabricated by heat press and ultrasonic welding of flexible thermoplastic polyurethane-coated fabrics. Compared to previous developed elastomeric-based actuators, the actuators are able to achieve smaller bend radius and generate sufficient force and torque to assist in both finger flexion and extension at lower air pressure. In this letter, experiments were conducted to characterize the performances of the glove in terms of its kinematic and grip strength assistances on five healthy participants. Additionally, we present a graphical-user interface that allows user to choose the desired rehabilitation exercises and control modes, which include button-controlled-assistive mode, cyclic movement training, intention-driven task-specific training, and bilateral rehabilitation training.

Soft robotics is gaining interest in rehabilitation applications, bringing new opportunities to offset the loss of upper limb motor function following neurological, neuromuscular, or traumatic injuries. Unlike conventional rigid robotics, the added softness in linkages or joints promises to make rehabilitation robots compliant, which translates into higher levels of safety, comfort, usability, and portability, opening the door for these rehabilitation technologies to be used in daily life. While several reviews documented the different technical implementations of soft rehabilitation robots, it is essential to discuss the growing clinical evidence on the feasibility and effectiveness of using this technology for rehabilitative and assistive purposes, whether softness brings the expected advantages from the perspective of end users, and how we should proceed in the future of this field. In this perspective article, we present recent clinical evidence on how 13 different upper limb devices were used in both controlled (clinical) and uncontrolled (at home) settings in more than 37 clinical studies. From these findings and our own experience, we derive recommendations for future developers and end users regarding the design, application, and evaluation of soft robotics for upper limb rehabilitation and assistance.