硅膠懸浮3D打印！香港中文大學聯合開發機器人輔助多軸嵌入式系統

在軟體機器人與生物醫學工程飛速發展的今天，如何制造出既具有復雜幾何構型，又保持高致密度的實體硅膠模型，一直是困擾業界的難題。

2026年1月16日，香港中文大學機械系聯合英國曼徹斯特大學、中科院、英國諾丁漢Trent大學提出了一項突破性的解決方案——機器人輔助多軸嵌入式硅膠打印系統（Multi-axis Embedded Silicone Printing, ESP）。研究通過創新的曲面切片算法與交錯路徑規劃，成功消除了傳統3D打印的階梯效應，將軟體模型的填充率提升至99.47%，推動了個性化醫療輔具與高性能軟體機器人的發展。

△視頻

研究背景

硅膠材料因其卓越的耐熱性、絕緣性以及與人體組織高度相似的生物相容性，成為了制造人工組織、可穿戴設備及軟體機器人的首選材料。然而，想要制造出形狀復雜的硅膠實體，并非易事。傳統的模具鑄造工藝雖然成熟，但面對復雜的拓撲結構或倒扣特征時，往往需要設計極其昂貴且繁瑣的多部件模具，且無法滿足個性化定制的需求。

為了解決這一問題，直寫式3D打印（DIW）應運而生，但在打印低粘度硅膠時，材料極易因重力塌陷。隨后出現的嵌入式打印（ESP）技術，即在凝膠狀的支撐基質中進行打印，這雖然解決了塌陷問題，卻在制造實體體積模型時遭遇了新的瓶頸。

當前的ESP技術主要依賴傳統的三軸打印機和平面切片策略。這種層層疊加的方式在處理曲面時，不可避免地會產生粗糙的階梯效應，導致模型表面精度極差。更為嚴重的是，由于硅膠墨水與支撐基質互不相溶，在打印大體積實體時，層與層之間的重疊往往導致墨水堆積或產生內部空隙，極大地削弱了成品的機械性能。如何打破平面打印的局限，實現高保真、高致密的軟體制造，成為了該領域亟待攻克的難題。

研究內容：軟硬結合的“多維”突破

面對上述挑戰，香港中文大學團隊摒棄了傳統的平面思維，開發了一套軟硬件深度融合的機器人輔助多軸打印框架。這項研究的核心在于利用六自由度機械臂的靈活性，配合先進的計算制造算法，實現了從“二維堆疊”向“三維隨形”的跨越。

△(a) 提出的多軸嵌入式硅膠打印 (ESP) 系統，通過機器人輔助的空間材料沉積，在凝膠類支撐基質中制造自由形態的體積硅膠模型。(b) 空間路徑生成的流程包括：為統一層高而優化的基于場的切片；(c) 邊界貼合路徑規劃，包含層內交錯沉積。此處路徑密度通過關于局部層高的擠出約束來控制。(d) 與基于平面的解決方案相比，提出的多軸 ESP 有效減少了階梯效應，增強了表面光潔度和幾何保真度。(e) 定制假肢接受腔的制造結果，具有近乎實心的填充（CT 掃描顯示填充率為 99.47%）。

1. 硬件系統：六軸聯動打破空間限制

研究團隊構建了一套由UR5e六自由度機械臂驅動的打印系統。與只能在XYZ三個方向移動的傳統打印機不同，系統能夠靈活調整噴頭的姿態，使其始終垂直于打印曲面。這種多軸運動能力是實現復雜曲面保真打印的硬件基礎。

2. 核心算法：基于場的曲面切片與路徑規劃

這是該研究最核心的創新點。團隊并未沿用傳統的水平切片法，而是提出了一種基于標量場的曲面切片策略：

?曲面切片（Curved Slicing）： 通過計算優化，生成與模型幾何特征高度貼合的曲面層，而非平直的切片層。這種方法順應了模型的自然曲率，從根本上消除了因層級錯位產生的“階梯紋路”。

?交錯路徑規劃（Interleaved Path Planning）： 針對實體填充難的問題，團隊開發了一種獨特的交錯紋理策略。在奇數層和偶數層分別采用相互垂直的路徑（如輪廓路徑與鋸齒路徑交替）。這種設計就像編織布料一樣，迫使硅膠墨水在不同方向上均勻鋪展，有效填補了層間空隙。

△用于邊界貼合交錯路徑生成算法的概述。(a) 曲面打印層。(b) 邊界距離場。(c) 為奇數層計算的邊界貼合路徑。(d) 在三角形單元上使用周期函數生成路徑的示意圖。(e) 控制向量場。(f) 周期標量場。(g) 為偶數層生成的條紋圖案路徑。(h) 不同方法生成的路徑寬度分布比較。

3. 工藝控制：自適應寬度約束

在曲面切片中，層高可能隨位置變化，這要求局部擠出材料的高度與之相匹配，才能實現層間可靠融合；然而，材料高度與局部沉積量相互耦合，容易造成局部沉積不均。為此，研究人員引入了體積恒定的寬度控制算法：該算法依據局部層高變化實時計算并調整路徑寬度，使變層高曲面切片上各位置的材料沉積量盡可能均勻，從而既避免過充導致的腫脹，也防止欠充造成的斷裂。

△寬度約束路徑算法概述。(a) 具有路徑寬度場的原始等值層。(b) 具有恒定路徑寬度場的基于寬度的變形后的等值層。(c) 在變形等值層上生成的等寬路徑。(d) 在原始等值層上提取的寬度約束路徑。(e) 有無基于寬度的變形時的路徑寬度誤差累積分布。

三、 研究結論

為了驗證這套系統的實際效能，研究團隊進行了一系列嚴苛的實驗，涵蓋了從醫療輔具到仿生器官的多種應用場景，實驗結果令人振奮。

△(a) 多軸 ESP 的物理實驗設置，其中使用 6-DOF 機械臂提供沿擠出機同步運動的空間材料擠出。(b) 假肢接受腔模型的制造過程

1. 多材料軟體機器人的功能驗證

為了驗證系統對不同流變性能材料的適應性，團隊制造了多種構型的軟體氣動機器人（S型、L型、扭轉致動器）。實驗采用了三種不同硬度和特性的硅膠材料（Ecoflex 0030, Mold Star 30, Dragon Skin 10）進行打印。結果顯示，得益于交錯的路徑規劃，所有打印出的機器人在充氣后均表現出優異的氣密性，無漏氣現象。不同硬度的機器人在相同氣壓下展現了預期的差異化變形行為（如軟材料彎曲曲率更大），證明了該工藝在制造功能性軟體驅動器方面的可靠性和通用性。

△使用各種硅膠材料的軟體機器人模型的打印結果。(a) 機器人輔助 ESP 的打印過程；(b) S 形軟體機器人的縱向橫截面及其充氣形狀；(c) 充氣的扭曲型和 (d) L 形軟體機器人；這三個機器人均由 Ecoflex 0030 制造，但內部設計不同。(e) 由 Mold Star 30 制成的 S 形軟體機器人在不同壓力下的變形；(f) 由 Dragon Skin 10（左）和 Mold Star 30（右）制成的 S 形軟體機器人在相同壓力下的變形。

2. 變厚度薄膜與仿生形態模擬

研究團隊通過打印人體胸部模型，展示了該技術在制造變厚度薄膜結構上的獨特優勢。傳統的等厚度打印模型在充氣后只能形成球狀隆起，而利用該系統特有的“基于變形的變寬控制算法”，團隊成功制造了具有可變壁厚的胸部模型。該模型在充氣后，能夠精準模擬真實人體胸廓的形態變化。這證明了多軸ESP系統不僅能打印實體，也能在復雜的自由曲面上精確控制材料分布，為定制化可穿戴設備和醫療模擬器的制造提供了新思路。

△(a) 具有可變厚度的雙層胸部模型的多軸 ESP 工藝，其中 (a2) 突出了構成封閉氣動腔室的工藝（細節也可在補充視頻中找到）。(b) 胸部模型在充氣后呈現不同的形狀。左：恒定厚度的胸部模型；右：具有可變厚度設計的胸部模型可以更好地模仿人類胸部形狀，并允許形狀從 (c) 人類胸部形狀（左）變為人類胸部形狀（右）

3. 復雜解剖結構的無損高精制造

在極具挑戰性的主動脈模型（包含薄壁和實體區域）打印中，多軸ESP技術展現了驚人的細節還原能力。相比傳統平面打印出現的嚴重拉絲、塌陷和尺寸偏差，新技術利用6軸機械臂的空間運動，始終保持噴頭垂直于打印面，完美保護了血管內壁等關鍵區域。幾何精度： 3D掃描顯示表面誤差控制在 1.5毫米以內（僅為模型尺寸的1%），平均尺寸誤差從傳統工藝的0.49毫米降低至 0.20毫米（精度提升59%）。致密度： CT掃描證實內部填充極其致密，孔隙率僅為 0.25%，實現了真正的實體打印。

△(a) 主動脈模型的多軸 ESP 工藝，其中機器人的空間運動實現了貼合打印以保護關鍵區域。(b) 傳統基于平面的 ESP 的打印結果顯示墨水沉積不當，關鍵區域有明顯的拉絲缺陷，導致較大的尺寸誤差。(c) 我們的方法的打印結果顯示出良好的表面光潔度、高幾何精度和良好的填充性能——CT 掃描結果 (c3) 證明了這一點。(d) 多個打印周期的誤差分布。三個多軸打印周期表現出極好的一致性和可重復性。與傳統的平面 ESP 相比，多軸打印實現了更高的尺寸精度，將平均誤差從 0.49 mm 降低到 0.20 mm。

未來展望

這項研究不僅解決了當前嵌入式打印的技術痛點，更為軟材料的數字化制造描繪了藍圖：

1. 材料與尺度的拓展

研究團隊計劃在未來進一步拓展材料庫，測試更多種類的支撐基質與功能性硅膠，以適應不同硬度和彈性的需求。同時，針對大尺寸模型打印中可能出現的機械臂碰撞問題，團隊將致力于開發更智能的避障算法，從而制造出體積更大、結構更復雜的軟體系統。

2. 智能化閉環控制

目前的系統主要依賴預先計算的路徑。未來，研究人員設想引入原位監測系統（如視覺傳感器），實時監控打印過程中的墨水沉積狀態。通過建立閉環反饋機制，系統將能動態修正打印參數，從而在面對環境干擾或材料批次差異時，依然保持工業級的制造穩定性。

3. 個性化醫療的普及

隨著技術的成熟，這套多軸打印系統有望在醫療領域大規模落地。從貼合患者皮膚的穿戴式電子設備，到模擬真實觸感的手術訓練模型，該技術將極大地降低定制化醫療器械的制造門檻與成本，讓精準醫療惠及更多患者。