3D打印可變型自適應噴嘴，中空纖維一鍵造軟體機器人

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AM易道新技術分享

用3D打印做軟體機器人的讀者朋友都知道一個痛點：
充氣執行器看起來簡單，做起來要命。

傳統路線是多步模具澆注，先做模具，再灌硅膠，脫模之后還要手工組裝氣道。

稍微復雜一點的形狀，模具本身就成了噩夢。

3D打印本應解決這個問題，但FDM打印軟材料容易漏氣，光固化能用的材料延展性又不夠。

更關鍵的是，想讓執行器往特定方向彎曲，就得精確控制壁厚分布。

約翰霍普金斯大學Jochen Mueller團隊最近在Device期刊發表的這項工作，給出了一個相當優雅的解法：

用一個能實時變形的同軸噴嘴，一步打印出壁厚沿周向連續變化的中空纖維。

他們稱之為自適應核殼3D打印，英文縮寫ACS-3DP。

他們用這套方法做了一個可穿戴的手部輔助康復裝置，還做了一只能爬行的仿生海龜機器人。

從原理到應用，論文走得相當完整。

AM易道對于該文章的許多理解和表達已脫離原文章的原始技術表述，有大量原創主觀的解讀創作成分，如需要了解更多原始硬核技術內容，請自行閱讀原文。

關鍵在于：八根針尖的位置可以獨立或聯動控制。

當四根針尖往外拉的幅度比另外四根大時，噴嘴出口就變成非對稱形狀，一側間隙寬，一側間隙窄。

擠出的纖維自然就是一側壁厚、一側壁薄。

這種壁厚差異正是充氣執行器實現定向彎曲的物理基礎。薄壁側更容易膨脹，厚壁側相對剛性更高，充氣時纖維就會朝著厚壁側彎曲。

此技術直接在擠出過程中完成，而且可以沿著打印路徑實時調整，這意味著一根連續的纖維可以包含多個不同彎曲方向的關節段。

Figure 1展示了這套系統的核心構型。

Figure 1把這套系統的核心邏輯講得很清楚。

看B圖底部那排噴嘴出口的俯視圖：中間那個是對稱的圓環，擠出來的纖維壁厚均勻，充氣時哪兒都不彎，這就是固定段；

周圍四個是偏心的，箭頭指向薄壁方向，擠出來的纖維就會往反方向彎。

再看F圖那根實際打印的纖維，中間一段是偏心截面，兩頭是對稱截面。

充氣后，只有中間那段向上翹起，兩頭紋絲不動。

一根連續擠出的纖維，靠截面變化就實現了局部可動、局部固定。

流體力學的意外：擠出速度不均勻怎么辦

非對稱噴嘴帶來一個工程問題：窄間隙側的流動阻力大，墨水流速慢；寬間隙側阻力小，流速快。

這意味著擠出的纖維截面形狀會和噴嘴出口形狀產生偏差。

Mueller團隊對此做了系統研究。

他們發現非對稱越大，流速差異越顯著。

為了驗證這個效應并排除噴嘴控制誤差的干擾，他們專門制作了一系列固定截面的噴嘴復制品進行對照實驗。

有意思的是Figure 2G，展示了不同非對稱度下打印纖維的表面質量。

簡單來說，這個圖給出了工藝窗口的邊界：

非對稱比不能無限增大，否則會出現漏氣缺陷。

從幾何到力學：設計空間有多大
壁厚分布確定后，執行器的彎曲角度和驅動力就成了設計參數
這部分團隊用有限元分析做了系統的參數掃描。

Figure 3回答的是設計者最關心的問題：

我想讓纖維彎多少度、出多大力，該怎么調參數？

B圖和C圖的熱力圖給出了答案—變形段越長、壁厚差越大、內孔占比越高，彎曲角度就越大。

D圖追蹤了一根特定纖維的彎曲角度隨氣壓的變化曲線，96kPa時能彎到接近180度，幾乎對折。

I到K圖是個漂亮的驗證：

設計一根七段纖維，每段旋轉方向差90度，打印出來充氣，真的扭成了三維螺旋。

設計意圖和實際效果吻合，仿真可信。

團隊還做了低周疲勞測試。

大變形工況下，纖維在恒定氣壓循環約100次后斷裂；

小變形工況下可以穩定工作數千次。

這個壽命水平和傳統充氣執行器相當。

兩個應用案例：康復手套和爬行海龜

Mueller團隊選了兩個方向：

一個是貼近人體的可穿戴康復裝置，一個是需要復雜運動學的仿生爬行機器人。

手部輔助裝置的設計邏輯很清晰：

五根纖維分別對應五根手指，每根纖維的固定段對準手指骨節，變形段對準關節。

所有變形段的厚壁側朝向手掌，充氣時纖維向手指彎曲方向彎折。

五路獨立氣壓控制實現了不同抓握模式—捏握（p4、p5）、三指握（p3、p4、p5）、鉤握（p1到p5）。

Figure 4展示了這套裝置的完整方案：

A圖把五根纖維的設計圖和真人手掌疊在一起，哪段對哪個關節一目了然。

D到F圖演示了三種日常抓握：捏起小物件、握筆寫字、抓住杯子。

仿生海龜機器人的設計更有意思。

自然界中海龜的鰭肢運動是復雜的三維軌跡，用傳統方法需要多自由度驅動。

Mueller團隊的方案是：用單一氣壓源驅動單根纖維，但通過設計不同段的壁厚差異，讓各段在不同氣壓區間依次激活。

Figure 5的巧妙之處在于用一個氣壓源實現了兩段式動作。

看D圖的時序分解：氣壓剛上來時，壁厚差大的ii段先彎，鰭肢抬起；氣壓繼續升高，壁厚差小的iv段才開始彎，鰭肢向前推。

放氣時因為軟材料的滯后特性，回程路徑和去程不一樣。

G圖那條軌跡曲線清楚地畫出了這個閉環。

正是這種不走回頭路的運動，讓海龜能往前爬而不是原地抖動。

一根纖維，一個氣源，實現了抬腿、邁步、收腿的完整步態。

這個設計思路本身就很有啟發性。

AM易道觀點：這項技術的價值和邊界在哪里
從技術角度看，本文核心貢獻是把壁厚控制從離散的多步工藝變成了連續的實時調控。
不僅提升了設計自由度，還降低了復雜執行器的制造門檻。
一根包含多個異向彎曲段的纖維，傳統方法可能需要多次脫模和粘接，3D打印一步完成。

從商業角度看，這套系統的硬件成本并不高。

論文明確提到打印頭輕量、低成本，兼容低價位桌面打印機。

目前技術的限制還在于最大非對稱比，極端壁厚差的設計會導致漏氣缺陷。

其次，單根纖維只能實現單自由度彎曲，復雜運動仍然需要巧妙的段設計或多纖維配合。

論文也提到，未來計劃引入多芯系統以實現多自由度驅動。

AM易道認為，這項工作最值得關注的是那個3D打印噴嘴的設計：

把噴嘴形狀從固定參數變成動態控制變量，把截面幾何從單一形態變成沿路徑連續分布的設計空間。

這種思路對FDM或者DIW工藝的應用，比如梯度材料、功能化纖維、甚至生物支架，都有啟發意義。

對于正在探索軟體執行器、柔性機器人、或者任何需要精確控制中空結構的3D打印從業者來說，這篇論文值得細讀。

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