3D打印技術(shù)參考注意到，哈佛大學(xué)近日在軟體機(jī)器人3D打印開發(fā)方面取得最新進(jìn)展，這不禁讓筆者想起小鵬發(fā)布的IRON人形機(jī)器人，后者使用了3D打印的高性能聚合物晶格結(jié)構(gòu)作為仿生肌肉。

此次的突破在于，哈佛通過旋轉(zhuǎn)多材料3D打印方法，可直接制造出能夠編程運(yùn)動(dòng)軌跡的軟機(jī)器人，其驅(qū)動(dòng)邏輯、形變能力和執(zhí)行功能，在打印完成時(shí)已經(jīng)直接內(nèi)置于材料結(jié)構(gòu)中，無需后續(xù)組裝或集成傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了“設(shè)計(jì)即功能”的目標(biāo)。

旋轉(zhuǎn)多材料3D打印

兩次登頂Nature正刊

哈佛所開發(fā)的旋轉(zhuǎn)多材料3D打印技術(shù)曾經(jīng)分別于2019年和2023年兩次登頂Nature正刊，可見該技術(shù)的創(chuàng)新性不僅得到了學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可，而且在不斷發(fā)展。

旋轉(zhuǎn)多材料3D打印平臺(tái)的打印頭配備四個(gè)墨盒，每個(gè)墨盒可以包含不同材料。然后將油墨送入一個(gè)復(fù)雜噴嘴，該噴嘴允許同時(shí)打印多種材料。當(dāng)噴嘴旋轉(zhuǎn)和平移時(shí)，油墨以螺旋細(xì)絲的形式擠出，為后續(xù)復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)的打印奠定了基礎(chǔ)。

RM-3DP技術(shù)的多種墨水可以不同旋轉(zhuǎn)速率同時(shí)擠出復(fù)雜噴嘴，可以打印出具有空間性質(zhì)和亞體素層面的軟材料。目前，RM-3DP已被用于制造螺旋介電彈性體執(zhí)行器和具有局部可調(diào)力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。類似方法結(jié)合多材料噴嘴旋轉(zhuǎn)與流速調(diào)整，生成具有可調(diào)節(jié)膨脹行為的水凝膠復(fù)合材料。

最新研究：材料融合與結(jié)構(gòu)形成

最新研究使用了兩種材料——可光聚聚氨酯丙烯酸酯樹脂和溫敏水凝膠，它可以在同一時(shí)間、單一噴嘴中的擠出的單一形狀中融合兩種材料組成的兩種結(jié)構(gòu)，這讀起來非常拗口，可通過一個(gè)動(dòng)圖來理解。

單一性狀包含兩種結(jié)構(gòu)，是因?yàn)槠渲幸环N材料為犧牲材料，可通過溫度控制發(fā)生溶解流出，從而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成氣動(dòng)空腔。

具體地說，外層的聚氨酯在紫外光下迅速固化后形成堅(jiān)固柔性外殼，構(gòu)成機(jī)器人的主題；而聚合物凝膠則填充了充當(dāng)內(nèi)部通道的空間，打印完成后經(jīng)沖洗即可出現(xiàn)空腔。相當(dāng)于在打印過程中同時(shí)完成了結(jié)構(gòu)構(gòu)型和內(nèi)置管道雕刻兩個(gè)步驟。

功能實(shí)現(xiàn)：氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)與可編程形變

內(nèi)部空腔的形成將被動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)執(zhí)行器，其工作原理與人體肌肉類似：氣壓或流體壓力會(huì)使結(jié)構(gòu)按預(yù)定方式變形。

通過控制打印參數(shù)，包括噴嘴的旋轉(zhuǎn)和物料流速，可精確控制內(nèi)部通道的位置、大小和幾何形狀，由于空腔被設(shè)計(jì)為非對(duì)稱分布，因此在充氣時(shí)并不會(huì)呈現(xiàn)均勻形變，從而驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)向預(yù)定方向彎曲和扭轉(zhuǎn)。

研究人員展示了通過RM-3DP快速設(shè)計(jì)和制造帶有非對(duì)稱氣動(dòng)系統(tǒng)的軟機(jī)器人。他們首先生成了一維軟機(jī)器人絲，并通過力和曲率測(cè)量表征其力學(xué)，驗(yàn)證計(jì)算建模。接著展示了可以制造出1D、2D和2.5D軟機(jī)器人，這些機(jī)器人經(jīng)過形狀變遷到三維圖案。作為最后的演示，利用了一種連續(xù)的絲狀打印路徑算法，將結(jié)構(gòu)分割成子域，利用連接的費(fèi)馬螺旋生成直接編碼擴(kuò)張應(yīng)變方向的圖像中的打印路徑。

作為研究的一部分，該團(tuán)隊(duì)打印了兩個(gè)演示部件：一個(gè)是充氣后會(huì)展開的螺旋形花朵狀致動(dòng)器，另一個(gè)是可包裹物體的五指形手形抓取器。這兩個(gè)部件均采用連續(xù)3D打印工藝一次性完成，無需額外組裝，這正是RM-3D打印技術(shù)的特點(diǎn)。

對(duì)機(jī)器人制造的重新定義

對(duì)比小鵬的IRON的晶格肌肉，這種3D打印的晶格是一種結(jié)構(gòu)仿生，它優(yōu)化了力的傳遞效率，減少機(jī)械感，讓機(jī)器人的動(dòng)作自然流暢，但其依然依賴外部電機(jī)和剛性連桿。而哈佛最新演示的技術(shù)則是“結(jié)構(gòu)-驅(qū)動(dòng)一體仿生”，材料自身就是驅(qū)動(dòng)器，更接近生物肌肉收縮即運(yùn)動(dòng)的原理。

這項(xiàng)技術(shù)該如何應(yīng)用于當(dāng)前的機(jī)器人技術(shù)？它或許能夠?yàn)槿诵螜C(jī)器人靈巧手、自適應(yīng)蒙皮和柔性關(guān)節(jié)制造提供新的解決方案。使機(jī)器人能夠更接近生物的柔順性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性。

軟機(jī)器人的快速設(shè)計(jì)和制造在形狀變形、驅(qū)動(dòng)和可穿戴設(shè)備方面日益受到關(guān)注?？偟膩碚f，這項(xiàng)研究介紹了一種簡(jiǎn)便的制造方法，可以制造出具有可預(yù)測(cè)、可編程運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)器人，并將編碼運(yùn)動(dòng)直接寫入材料中。主要作者威爾特說道，“我們的目標(biāo)是為各種應(yīng)用創(chuàng)造柔軟的仿生機(jī)器人?！?/p>

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