軟體機(jī)器人，又迎來(lái)新突破！

憑借其獨(dú)特的柔性和適應(yīng)性，軟體機(jī)器人在醫(yī)療、人機(jī)交互和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的潛力早已不是秘密。但如何快速、高效地制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能可編程的軟體機(jī)器人，一直是困擾著科學(xué)家們的難題。

傳統(tǒng)的制造方法，如模具鑄造，不僅流程繁瑣、耗時(shí)，而且極大地限制了設(shè)計(jì)的自由度。現(xiàn)在，來(lái)自哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，給出了一套全新的解決方案。

他們提出了一種名為旋轉(zhuǎn)多材料3D打印（RM-3DP）的全新制造范式，賦予了軟體機(jī)器人堪比“七十二變”的復(fù)雜形變能力，能夠?qū)?fù)雜的內(nèi)部氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)直接“打印”進(jìn)軟體機(jī)器人的身體里，就像一次性為機(jī)器人植入了可編程的“血管”和“肌肉”。

通過(guò)這種方法，他們不僅能制造出可以精確控制彎曲、扭轉(zhuǎn)的纖維，還能打印出會(huì)開花的“機(jī)器花朵”，甚至是一只能夠獨(dú)立控制五指、完成抓握動(dòng)作的“機(jī)器手”！

這項(xiàng)重磅研究已發(fā)表在材料科學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊 Advanced Materials上。

01.

一根“管中管”：旋轉(zhuǎn)打印技術(shù)揭秘

這項(xiàng)技術(shù)的精髓，在于一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的3D打印噴頭和兩種協(xié)同工作的“墨水”。

想象一下，打印機(jī)擠出的不再是一根實(shí)心線條，而是一根精巧的“管中管”——也就是研究中提到的核-殼結(jié)構(gòu)（core-shell）長(zhǎng)絲。

• “殼”，是軟體機(jī)器人的身體，由一種光固化彈性體墨水構(gòu)成。
• “核”，則是未來(lái)用于通氣驅(qū)動(dòng)的通道，在打印時(shí)由一種特殊的“犧牲墨水”（fugitive ink）填充。

這種“犧牲墨水”是一種溫敏性凝膠（Pluronic F-127），在室溫打印時(shí)是固體，能穩(wěn)定地支撐結(jié)構(gòu)；而一旦制造完成，只需用0°C的冰水一沖，它就會(huì)瞬間液化并被沖走，留下一個(gè)中空的、成型的氣動(dòng)通道。

更關(guān)鍵的是，這個(gè)內(nèi)部通道并不是對(duì)稱的。通過(guò)精確設(shè)計(jì)噴頭內(nèi)部的幾何形狀（如上圖c中的角度φ），研究人員可以制造出不對(duì)稱的通道截面。當(dāng)向這個(gè)不對(duì)稱的通道充氣時(shí)，由于通道壁厚薄不均，長(zhǎng)絲就會(huì)向著更厚、更強(qiáng)韌的一側(cè)彎曲，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。

而這項(xiàng)技術(shù)真正的“殺手锏”，是“旋轉(zhuǎn)”。

打印噴頭可以一邊擠出材料，一邊進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。這意味著，研究人員可以在打印一根長(zhǎng)絲的過(guò)程中，任意改變其內(nèi)部不對(duì)稱通道的朝向。

比如，保持通道方向不變，打印出的就是直線彎曲的驅(qū)動(dòng)器。如果在中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180度，驅(qū)動(dòng)器就會(huì)向相反方向彎曲，形成一個(gè)S形。如果連續(xù)旋轉(zhuǎn)，就能得到一個(gè)螺旋形的驅(qū)動(dòng)器。

此外，通過(guò)控制“犧牲墨水”的擠出流速（Qf），還能動(dòng)態(tài)改變通道的橫截面積。流速大，通道就粗，驅(qū)動(dòng)形變就大；流速小，通道就細(xì)，甚至可以使其幾乎不產(chǎn)生形變，成為一個(gè)“惰性”的連接段。

這種在打印過(guò)程中對(duì)內(nèi)部通道的方向、形狀和尺寸進(jìn)行亞體素級(jí)別（subvoxel-level）的動(dòng)態(tài)編程能力，為制造前所未有的復(fù)雜軟體機(jī)器人打開了大門。

02.

從線到面：為軟體機(jī)器人編程“七十二變”

掌握了這項(xiàng)“獨(dú)門絕技”后，研究團(tuán)隊(duì)開始展示他們?nèi)绾螢檐涹w機(jī)器人“編程”出堪稱“七十二變”的各種復(fù)雜形態(tài)。

首先是一維（1D）長(zhǎng)絲。他們打印出的單根長(zhǎng)絲，在充氣后可以精確地彎曲成預(yù)設(shè)的曲率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬高度吻合，證明了該方法的可預(yù)測(cè)性和可靠性。

通過(guò)在打印路徑中編程通道的旋轉(zhuǎn)和流速，研究人員展示了多種復(fù)雜的形變模式：

• 周期性彎曲：通過(guò)多次180度旋轉(zhuǎn)，長(zhǎng)絲在充氣后會(huì)像波浪一樣周期性地向不同方向彎曲。
• 螺旋扭轉(zhuǎn)：通過(guò)連續(xù)旋轉(zhuǎn)打?。╳* = -1），長(zhǎng)絲在驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)扭轉(zhuǎn)成一個(gè)緊密的螺旋線圈，在83kPa的壓力下，末端角位移高達(dá)880度。
• 局部鉸鏈：通過(guò)在長(zhǎng)絲中打印一小段粗通道（高Qf），兩側(cè)連接細(xì)通道（低Qf），就形成了一個(gè)“鉸鏈”。充氣時(shí)，只有“鉸鏈”部分會(huì)發(fā)生劇烈彎曲，彎曲角度可超過(guò)180度，實(shí)現(xiàn)“對(duì)折”效果。利用這個(gè)原理，他們甚至用一根長(zhǎng)絲打印出了一個(gè)充氣后能自動(dòng)折疊成線框立方體的結(jié)構(gòu)。

從一維走向二維（2D），研究人員將多根長(zhǎng)絲并排打印，構(gòu)建出可以大面積形變的“表面”。

他們?cè)O(shè)計(jì)了一種“棋盤格”圖案的驅(qū)動(dòng)器。在這個(gè)表面上，相鄰的“格子”區(qū)域內(nèi)部，氣動(dòng)通道的方向被設(shè)定為相反（一個(gè)朝上θf(wàn) = 0°，一個(gè)朝下θf(wàn) = 180°）。當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)充氣時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)有的區(qū)域向上拱起，有的區(qū)域向下彎曲的奇特景象，實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面形貌的區(qū)域化編程控制。

這些從線到面的演示，充分證明了RM-3DP技術(shù)在構(gòu)建具有復(fù)雜、可編程形變能力的軟體結(jié)構(gòu)方面的強(qiáng)大潛力。

03.

“費(fèi)馬螺線”指路：打印出會(huì)抓握的機(jī)器手

要制造像人手一樣復(fù)雜的仿生結(jié)構(gòu)，光靠手動(dòng)設(shè)計(jì)打印路徑是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為此，研究團(tuán)隊(duì)引入了一個(gè)強(qiáng)大的算法工具——基于費(fèi)馬螺線（Fermat spirals）的連續(xù)打印路徑規(guī)劃算法。

這個(gè)算法可以將任意二維矢量圖像（比如一朵花或一只手的輪廓）自動(dòng)轉(zhuǎn)換成一條連續(xù)不斷的打印路徑。打印機(jī)沿著這條路徑一筆畫下來(lái)，就能完成整個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的填充。

團(tuán)隊(duì)首先以一個(gè)六瓣花朵的圖案作為演示。算法生成了連續(xù)的打印路徑，同時(shí)，RM-3DP系統(tǒng)根據(jù)路徑的走向，實(shí)時(shí)調(diào)整內(nèi)部氣動(dòng)通道的方向，確保所有花瓣的通道都朝向內(nèi)側(cè)。打印、固化、沖走犧牲墨水后，一個(gè)精美的軟體“機(jī)器花朵”便誕生了。輕輕充氣，花瓣就會(huì)優(yōu)雅地向中心卷曲，仿佛正在綻放。

最終，團(tuán)隊(duì)利用該方法制造出了一只軟體機(jī)器手。

研究人員將人手的圖像輸入系統(tǒng)，算法自動(dòng)生成了覆蓋整個(gè)手掌和五根手指的連續(xù)打印路徑。更巧妙的是，他們?cè)谑种傅摹瓣P(guān)節(jié)”位置，通過(guò)程序化地改變擠出流速，預(yù)設(shè)了“鉸鏈”結(jié)構(gòu)。

最終成品是一只擁有5個(gè)獨(dú)立氣路輸入的機(jī)器手。通過(guò)壓力調(diào)節(jié)器，可以獨(dú)立控制每一根手指的彎曲。從伸掌，到依次彎曲食指、中指、無(wú)名指和小指，動(dòng)作十分靈活。

為了展示其實(shí)用性，團(tuán)隊(duì)還將這只手固定在機(jī)械臂上，成功地讓它圍繞一個(gè)泡沫小球?qū)崿F(xiàn)了保形抓握，并將其穩(wěn)穩(wěn)地從桌上提起。

這一系列從算法設(shè)計(jì)到功能實(shí)現(xiàn)的完整演示，將這項(xiàng)技術(shù)的潛力推向了高潮。它不僅僅是一種新的制造方法，更是一套集設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃、材料打印于一體的自動(dòng)化工作流程，能夠?qū)?fù)雜的仿生設(shè)計(jì)快速轉(zhuǎn)化為功能強(qiáng)大的實(shí)體機(jī)器人。

總而言之，哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)工作，通過(guò)將旋轉(zhuǎn)多材料3D打印與算法路徑規(guī)劃相結(jié)合，極大地拓展了軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造邊界，為未來(lái)開發(fā)更復(fù)雜、更智能、更能適應(yīng)環(huán)境的軟體機(jī)器人鋪平了道路。

論文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202510141