上海交大谷國迎教授Science Advances：多材料3D打印技術實現“電子嵌入式”自主軟體機器人

在非結構化環境中實現自主導航是機器人技術面臨的核心挑戰之一，尤其適用于搜救任務以及復雜工業場景中的檢測與操作。軟體機器人因其柔順的材料特性，能夠承受可能使剛性系統失效的意外機械擾動，因而在這些任務中具有獨特優勢。然而，實現自主性需要將驅動、傳感、控制等功能單元無縫集成到軟體結構中，這面臨著復雜三維幾何形狀、多材料融合以及剛-柔材料間機械電氣性能不匹配等諸多設計制造難題。

近期，上海交通大學谷國迎教授、王東長聘副教授提出了一個全新的設計與制造框架，旨在實現具有嵌入式驅動與傳感功能的自主軟體機器人。研究團隊開發了一種集成了數字光處理（DLP）與直接墨水書寫（DIW）的3D打印技術，能夠自動化地制造具有嵌入式、共形三維電子器件的軟體機器人。通過結合晶格超材料、波浪形互連和離散化印制電路板等結構設計策略，確保了器件在大變形下的機械與電氣穩定性。基于該技術制造的軟體機器人集成了多模態驅動、實時觸覺傳感、無線通信、觸覺-視覺反饋及自主避障功能，為電子器件一體化的自主軟體機器人發展開辟了新路徑。相關論文以“Multimaterial 3D printed soft robots with embedded actuation and sensing”為題，發表在Science Advances上。

研究團隊首先展示了一套集DLP與DIW于一體的3D打印系統。整個過程始于使用DLP技術打印由混合樹脂構成的軟體機器人基體結構，其中預留了電路通道和電子元件空腔。隨后，打印平臺旋轉180度，將離散化的微型PCB和電子元件嵌入指定位置。接著，通過DIW工藝，將導電硅膠和電阻硅膠分別作為柔性電路和應變傳感電路精確注入預留通道，實現三維共形布線。最后，平臺轉回，再次通過DLP打印封裝層，完成整個機器人的一體化制造。該系統DLP打印的橫向和縱向分辨率分別達到82微米和50微米，DIW打印硅膠線條寬度可控制在0.3至1.3毫米之間。整個制造過程僅需約30分鐘，且無需后續組裝。

圖1. 自主軟體機器人的功能與集成3D打印。 （A）軟體機器人可實現遠程控制、提供觸覺到視覺反饋并自主導航。 （B）使用DLP工藝打印基體結構。 （C）打印平臺旋轉180度，使打印面朝上。 （D）將離散化的PCB和電子元件嵌入軟體結構的指定空間內。 （E）DIW工藝沉積導電和電阻電路。 （F）打印平臺轉回，進行進一步的DLP 3D打印和封裝。 （G）DIW打印中，不同氣壓下打印線寬與打印速度的關系。 （H）使用K867材料通過DIW制造的線寬約為320微米的晶格結構。比例尺：1毫米。 （I）DLP打印中，打印層厚度與曝光時間的關系。 （J）DLP打印的正向與負向分辨率表征。最小正向分辨率為82微米，最小負向分辨率（通道直徑）為205微米。比例尺：2毫米。 （K）設計不同寬度的空腔以評估DIW與DLP方法之間的兼容性。比例尺：1毫米。

為確保軟體機器人內部剛性電子元件與柔軟機體在大變形下協同工作，研究團隊引入了多項創新設計。他們設計了蛇形蜿蜒的導電電路以增強延展性，將PCB離散化成小塊以減小應力集中，并利用晶格結構來吸收沖擊能量。實驗與有限元模擬表明，采用這些設計的柔性電路可承受高達40%的應變，嵌入LED的晶格電路在45%的壓縮循環下仍能穩定工作，證明了其在壓縮、拉伸、扭轉和彎曲等多種變形下的可靠性。

圖2. 軟硬材料相互作用的設計。 （A和B）具有蛇形設計的兩層LED電路，可適應軟材料的大變形。比例尺：10毫米。 （C）PCB被離散化以減小尺寸和應力集中，并使用彎曲電路互連離散化的PCB。比例尺：10毫米。 （D）該設計在壓縮、拉伸、扭轉和彎曲下均能保持功能。 （E）實驗和有限元模擬的拉伸應力-應變曲線顯示該設計可承受高達40%的應變。 （F和G）帶有嵌入式LED電路的晶格結構在壓縮下仍保持功能。比例尺：10毫米。 （H）晶格LED電路在整個循環測試中表現可靠。

驅動器的結構設計是實現多模態運動的關鍵。該軟體機器人驅動器包含兩排三列的“足部”，每個足部具有不對稱壁厚的三角形結構，通過施加負壓可控制其向特定方向彎曲，最大彎曲角度可達45度。通過對三個獨立氣動通道的驅動序列進行編程控制，機器人能夠實現前進、后退、左轉和右轉等多種運動模式。

圖3. 軟體驅動器的結構設計。 （A）軟體驅動器由兩排三列的足部組成。 （B）每個足部具有兩側厚度不同的三角形結構，可在負壓下實現彎曲。 （C）不同負壓下的彎曲形狀實驗快照，以及彎曲角度隨負壓的變化關系。 （D）通過獨立控制三個氣管的驅動序列，實現前進、后退、左轉和右轉運動。 （E和F）前進和右轉運動過程中的實驗快照。比例尺：10毫米。

感知能力方面，團隊設計了一種3/4圓環形的軟體觸覺傳感器。傳感器的外殼由DLP打印，其內部的電阻式傳感電路由DIW打印。當傳感器不同區域（左、前、右）受到觸摸時，其電阻變化會導致讀取的電壓信號發生特定模式的變化。這些信號通過嵌入式微控制器處理，并通過藍牙無線傳輸。為提供直觀反饋，研究人員還設計了一個3D打印的遙控器，其上集成的LED會根據觸摸位置點亮不同顏色的燈光（左紅、前綠、右藍），實現了觸覺到視覺的實時反饋。

圖4. 軟體傳感器的設計。 （A）一種3/4圓環形的軟體傳感器設計。 （B）傳感器有四個引腳連接到MCU模塊，形成一個由三個電阻串聯的簡化電路。 （C）集成在3D打印遙控器中的LED會點亮不同顏色以指示觸摸位置：左為紅色，前為綠色，右為藍色。 （D）不同觸摸位置下U1和U2的電壓讀數（上圖）和相對電壓變化（下圖）。 （E至G）分別在30秒內對左、前、右部分施加20個周期的2毫米變形，以評估傳感器的可重復性。比例尺：10毫米。

通過一個指戴式無線遙控器，用戶可以直觀地通過手勢控制機器人的運動。遙控器內置慣性測量單元，可檢測手指的姿態變化，并將控制信號發送給機器人。與此同時，機器人感知到的觸覺信息也能通過藍牙回傳，在遙控器上以LED燈光顏色變化的形式反饋給操作者，形成雙向交互。

圖5. 遠程控制與觸覺到視覺反饋。 （A）設計為指套的可穿戴遙控器。比例尺：10毫米。 （B）軟體機器人通過藍牙將其傳感器數據傳回遙控器，提供觸覺到視覺反饋。比例尺：50毫米。 （C）四個基本手勢——前進、后退、左、右——控制軟體機器人的運動。比例尺：50毫米。 （D）在不同控制手勢期間，嵌入式IMU記錄的加速度和方向角。紅色高亮部分表示導致遙控器變形的手指彎曲和分開動作。 （E）遠程控制和觸覺到視覺反饋均能正常工作（a）。機器人經歷按壓、拍打和拳擊（b）。變形后軟體機器人仍保持功能（c）。

最終，集成所有技術的軟體機器人展示了其自主導航與避障能力。機器人內部集成了定制微型PCB，其上裝有藍牙模塊、慣性測量單元以及三個用于測距的飛行時間傳感器。依靠傳感器感知環境和內置的決策邏輯，機器人在設定的迷宮場景中成功實現了自主路徑規劃與避障，例如在遇到障礙物時自動轉向，甚至在死胡同場景中能夠自主倒退并重新尋路。

圖6. 自動導航。 （A）控制面板包含一個帶有藍牙模塊、IMU和三個TOF傳感器的定制微型PCB。比例尺：10毫米。 （B和C）不同場景下軟體機器人的避障邏輯。 （D）在帶有兩個障礙桿的S形迷宮中自主導航。比例尺：50毫米。 （E）在帶有死胡同的迷宮中自動導航。比例尺：50毫米。

這項研究通過集成化多材料3D打印與創新的結構設計，成功地將驅動、傳感、電路、通信與電源等單元整體集成于小型軟體機器人內部，實現了從制造、設計到功能驗證的完整閉環。與傳統的模具鑄造和手工組裝相比，該方法在精度、效率和復雜結構實現能力上具有顯著優勢。盡管當前機器人的尺寸受限于打印幅面，且仍部分依賴外部氣動管路，但研究為未來開發更靈活、完全無纜的電子集成軟體機器人奠定了堅實的技術基礎。展望未來，通過采用柔性電路板、集成微型泵或利用相變機制開發無纜驅動等方式，將進一步推動此類機器人在復雜環境探索、人機交互等領域的實際應用。