哈佛大學旋轉多材料3D打印最新突破，或能直接制造機器人靈巧手

3D打印技術參考注意到，哈佛大學近日在軟體機器人3D打印開發方面取得最新進展，這不禁讓筆者想起小鵬發布的IRON人形機器人，后者使用了3D打印的高性能聚合物晶格結構作為仿生肌肉。

此次的突破在于，哈佛通過旋轉多材料3D打印方法，可直接制造出能夠編程運動軌跡的軟機器人，其驅動邏輯、形變能力和執行功能，在打印完成時已經直接內置于材料結構中，無需后續組裝或集成傳動，實現了“設計即功能”的目標。

旋轉多材料3D打印

兩次登頂Nature正刊

哈佛所開發的旋轉多材料3D打印技術曾經分別于2019年和2023年兩次登頂Nature正刊，可見該技術的創新性不僅得到了學術界的廣泛認可，而且在不斷發展。

旋轉多材料3D打印平臺的打印頭配備四個墨盒，每個墨盒可以包含不同材料。然后將油墨送入一個復雜噴嘴，該噴嘴允許同時打印多種材料。當噴嘴旋轉和平移時，油墨以螺旋細絲的形式擠出，為后續復雜功能結構的打印奠定了基礎。

RM-3DP技術的多種墨水可以不同旋轉速率同時擠出復雜噴嘴，可以打印出具有空間性質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行器和具有局部可調力學性能的結構復合材料。類似方法結合多材料噴嘴旋轉與流速調整，生成具有可調節膨脹行為的水凝膠復合材料。

最新研究：材料融合與結構形成

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構，這讀起來非常拗口，可通過一個動圖來理解。

單一性狀包含兩種結構，是因為其中一種材料為犧牲材料，可通過溫度控制發生溶解流出，從而在結構內部形成氣動空腔。

具體地說，外層的聚氨酯在紫外光下迅速固化后形成堅固柔性外殼，構成機器人的主題；而聚合物凝膠則填充了充當內部通道的空間，打印完成后經沖洗即可出現空腔。相當于在打印過程中同時完成了結構構型和內置管道雕刻兩個步驟。

功能實現：氣動驅動與可編程形變

內部空腔的形成將被動結構轉化為主動執行器，其工作原理與人體肌肉類似：氣壓或流體壓力會使結構按預定方式變形。

通過控制打印參數，包括噴嘴的旋轉和物料流速，可精確控制內部通道的位置、大小和幾何形狀，由于空腔被設計為非對稱分布，因此在充氣時并不會呈現均勻形變，從而驅動結構向預定方向彎曲和扭轉。

研究人員展示了通過RM-3DP快速設計和制造帶有非對稱氣動系統的軟機器人。他們首先生成了一維軟機器人絲，并通過力和曲率測量表征其力學，驗證計算建模。接著展示了可以制造出1D、2D和2.5D軟機器人，這些機器人經過形狀變遷到三維圖案。作為最后的演示，利用了一種連續的絲狀打印路徑算法，將結構分割成子域，利用連接的費馬螺旋生成直接編碼擴張應變方向的圖像中的打印路徑。

作為研究的一部分，該團隊打印了兩個演示部件：一個是充氣后會展開的螺旋形花朵狀致動器，另一個是可包裹物體的五指形手形抓取器。這兩個部件均采用連續3D打印工藝一次性完成，無需額外組裝，這正是RM-3D打印技術的特點。

對機器人制造的重新定義

對比小鵬的IRON的晶格肌肉，這種3D打印的晶格是一種結構仿生，它優化了力的傳遞效率，減少機械感，讓機器人的動作自然流暢，但其依然依賴外部電機和剛性連桿。而哈佛最新演示的技術則是“結構-驅動一體仿生”，材料自身就是驅動器，更接近生物肌肉收縮即運動的原理。

這項技術該如何應用于當前的機器人技術？它或許能夠為人形機器人靈巧手、自適應蒙皮和柔性關節制造提供新的解決方案。使機器人能夠更接近生物的柔順性、安全性和環境適應性。

軟機器人的快速設計和制造在形狀變形、驅動和可穿戴設備方面日益受到關注。總的來說，這項研究介紹了一種簡便的制造方法，可以制造出具有可預測、可編程運動的軟體機器人，并將編碼運動直接寫入材料中。主要作者威爾特說道，“我們的目標是為各種應用創造柔軟的仿生機器人。”

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注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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