小鵬IRON被剪開后的真相：為什么人形機器人的肌肉只能是3D打印？

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Iron被剪開的那一刻

小鵬Iron發(fā)布會后的第二天，網(wǎng)絡上炸了。

不是因為這臺人形機器人走得有多穩(wěn)，也不是因為它的動作有多流暢，而是因為它走得太像真人了。

質(zhì)疑聲鋪天蓋地：機器人里是不是套了個真人?

何小鵬坐不住了。

他做了一件在機器人發(fā)布史上前所未有的事，先是拉開了Iron背后的拉鏈；

展示了肌肉：

更是剪開了機器人的腿部肌肉。

展示完之后，Iron默默的衣冠不整的走下了臺...

剪刀劃過Iron的身體和腿部，露出的不是電機齒輪的機械結(jié)構(gòu)，而是密密麻麻的、規(guī)則排列的、看起來像蜂窩又不完全是蜂窩的結(jié)構(gòu)。

AM易道讀者都能看出這是3D打印晶格結(jié)構(gòu)，之后3D打印行業(yè)朋友圈隨后確認：

這是光固化制造的3D打印彈性體晶格結(jié)構(gòu)。

這一刀，剪開的不只是外殼，更是一個長期被3D打印行業(yè)低估的應用市場：人形機器人的仿生肌肉。

為什么人形機器人的肌肉必須用3D打印?

為什么是光固化彈性體，而不是傳統(tǒng)的硅膠、橡膠或者多材料復合？

技術(shù)選擇背后，藏著怎樣的技術(shù)邏輯和產(chǎn)業(yè)機會?

帶著這三個問題，AM易道找到了三個小鵬機器人之外關(guān)鍵研究和案例，它們分別來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)2025年發(fā)表在Science Advances上的研究；

一篇關(guān)于DLP柔性機器人器件的Nature子刊綜述；

以及NASA馬歇爾航天中心的HULK項目。

這三個案例，共同指向一個結(jié)論：

光固化彈性體3D打印，正在成為仿生肌肉的標準答案。

案例一：瑞士EPFL的大象機器人，單材料的力學魔法

為什么從大象說起

在自然界，大象是軟硬結(jié)合的極致典范。

它的鼻子由超過4萬塊肌肉組成，沒有一根骨頭，卻能舉起270公斤的重物，也能撿起一枚硬幣。

它的腿部有粗壯的骨骼和強韌的肌腱，支撐著6噸的體重，還能以每小時40公里的速度奔跑。

這種從柔軟到剛硬的連續(xù)過渡，正是人形機器人肌肉系統(tǒng)夢寐以求的特性。

人形機器人的軀干需要像象鼻一樣靈活，腿部需要像象腿一樣堅固。

但問題是，怎么用一種材料實現(xiàn)這種跨度?

生物體內(nèi)，從脂肪到骨骼，剛度跨越了近六個數(shù)量級(從kPa到GPa)。

傳統(tǒng)的多材料3D打印可以做到，但界面容易失效，工藝復雜，成本高昂。

瑞士EPFL的研究團隊給出了一個更優(yōu)雅的答案：不換材料，換結(jié)構(gòu)。

他們用一種光固化彈性樹脂，通過兩種幾何編程方法，創(chuàng)造出了超過100萬種不同力學性能的晶格結(jié)構(gòu)，覆蓋了從軟組織到骨骼的全部剛度范圍。

兩個核心方法：讓一種材料擁有無限可能

第一個方法叫拓撲調(diào)控(Topology Regulation，TR)，用來實現(xiàn)連續(xù)的力學變化。

簡單來說你手里有兩種基礎(chǔ)晶格：一種叫bcc(體心立方)，像海綿一樣各向同性，受力均勻；

另一種叫XCube，像肌肉纖維一樣有明確的方向性，某個方向特別硬，其他方向特別軟。

TR方法的核心，就是在這兩種晶格之間連續(xù)混合。

通過一個叫拓撲指數(shù)(TI)的參數(shù)，從0到1無限調(diào)節(jié)，0是純bcc，1是純XCube，中間是各種比例的混合體。

這就像調(diào)節(jié)音量旋鈕，TR讓材料性能也能連續(xù)調(diào)節(jié)。

看看上面的示意圖，生物體內(nèi)的組織剛度從脂肪的0.1 kPa到骨骼的30 GPa，跨越了九個數(shù)量級。

雖然單一彈性樹脂無法覆蓋全部范圍，但通過TR方法，可以在25-300 kPa的楊氏模量和1.38-40 kPa的剪切模量之間自由調(diào)節(jié)，足以覆蓋從軟組織到結(jié)構(gòu)組織的需求。

第二個方法叫疊加編程(Superposition Programming，SP)，用來實現(xiàn)離散的精確控制。

它有兩個子方法：方向疊加(DSP)和平移疊加(TSP)。

簡單來說，DSP改變晶格單元的旋轉(zhuǎn)方向，就像把幾個樂高積木按不同角度拼接；TSP改變晶格單元的空間位置，就像把積木錯位排列。

通過這兩種疊加方式，同一個基礎(chǔ)晶格可以生成28種不同的單元，四個單元的組合就上百萬種可能。

TR和SP的組合，讓單一材料擁有了無限可能。

不需要換材料，不需要多噴頭，只需要改變幾何結(jié)構(gòu)，就能在同一次打印中實現(xiàn)從柔軟到剛硬的全部性能。

從理論到實踐：大象機器人的肌肉系統(tǒng)

有了這兩個方法，EPFL團隊打印了一只完整的大象機器人，包括能扭能彎的象鼻和能走能跳的象腿。

象鼻：連續(xù)變形的軟體軀干

象鼻被設計成三段：扭轉(zhuǎn)段、彎曲段和螺旋段。每一段都用上述方法實現(xiàn)了不同的剛度分布。

上圖展示了這三種運動模式的實際效果。

關(guān)鍵是，這三段是在同一次打印中完成的，材料沒變，只是每個位置的晶格拓撲不同。

象腿：離散關(guān)節(jié)的剛性骨骼

如果說象鼻展示了TR方法的連續(xù)性，象腿則展示了SP方法的離散性。

EPFL團隊設計了三種關(guān)節(jié)，對應生物體內(nèi)的不同關(guān)節(jié)類型。

下圖很重要，因為這些關(guān)節(jié)類型在人形機器人中也會涉及。

三種關(guān)節(jié)分別是：

平面關(guān)節(jié)可以雙向滑動；單軸關(guān)節(jié)可以單向彎曲(±50度)；雙軸關(guān)節(jié)可以全向彎曲(約40度)。

所有關(guān)節(jié)都采用相同的設計邏輯，用多重疊加的晶格構(gòu)建剛性骨骼，用低重數(shù)疊加或bcc晶格構(gòu)建柔性韌帶，通過晶格疊加程度控制剛度，無需更換材料。

完整系統(tǒng)：軟硬結(jié)合的整體設計

下圖展示了完整的大象機器人。

它的軀干是連續(xù)漸變的軟體結(jié)構(gòu)，四條腿是離散分布的剛性關(guān)節(jié)，足部則是混合設計。

機器人的性能令人驚訝。

軀干可以抓取直徑從0.1毫米到100毫米的物體，舉起自重三倍的負載。

腿部可以支撐自重(3.89公斤)加上額外4公斤的負載，還能單腿站立，用另一條腿踢球。

步行速度約7.5毫米/秒，步長150毫米。

所有這些，都是用同一種F80彈性樹脂，在同一臺DLP打印機上完成的。

為什么是光固化3D打印？

選擇光固化，不是偶然。

相比于FDM和DIW的逐線堆積，打印精度受限于噴嘴直徑，通常在0.2-0.4毫米。

而光固化分辨率商用設備可達數(shù)十微米，研究級可達1微米。

對于晶格梁厚度只有0.5-1.5毫米的復雜結(jié)構(gòu)，這種精度差異是決定性的。

更關(guān)鍵的是表面質(zhì)量。

以目前的技術(shù)進展，F(xiàn)DM逐層堆積會留下明顯的臺階紋理，DIW擠出的圓柱形線條在接觸處會產(chǎn)生應力集中。

光固化相對來說，表面光滑紋理弱，這對晶格結(jié)構(gòu)的力學性能至關(guān)重要。

因為粗糙表面可能會成為裂紋起點，降低疲勞壽命。

從材料兼容性看，光固化支持的材料體系非常廣泛：水凝膠、彈性體、離子凝膠、液晶彈性體，甚至通過漿料可以打印金屬和陶瓷。

大象論文中使用的F80彈性樹脂是一種通用的光固化彈性體，通過調(diào)節(jié)光照強度和時間，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)固化度，進一步增強了性能的可調(diào)性。

最重要的是設計自由度，光固化優(yōu)勢在于，它可以直接打印絕大部分可以用三角網(wǎng)格描述的形狀，包括懸浮特征、連續(xù)漸變的拓撲場、離散分布的復雜組合，以及用于肌腱布線的內(nèi)部腔體和通道。

案例二：從Nature綜述看DLP柔性器件的更廣闊版圖

如果說大象機器人展示了DLP在仿生肌肉上的深度，那么2025年發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering上的一篇綜述，則展示了DLP在整個柔性器件領(lǐng)域的廣度。

這篇題為Digital light processing 3D printing of flexible devices的綜述，系統(tǒng)梳理了DLP在三大方向的應用：軟體驅(qū)動器、柔性傳感器和能量器件。

AM易道認為，雖然這篇綜述涵蓋的領(lǐng)域很廣，但對于理解仿生肌肉的技術(shù)脈絡，它提供了一個更完整的坐標系。

上面是這篇綜述的總覽圖，它把DLP光固化3D打印柔性器件的全景展開：

左邊是軟體驅(qū)動器，包括氣動驅(qū)動器和智能材料驅(qū)動器;

中間是柔性傳感器，包括應變/壓力傳感器和電生理傳感器;

右邊是能量器件，包括納米發(fā)電機和超級電容器。

而貫穿所有這些應用的，是DLP打印和光固化軟材料，包括水凝膠、彈性體、離子凝膠、液晶彈性體和液態(tài)金屬。

軟體驅(qū)動器：不止是肌肉

除了EPFL文章展示的被動肌腱驅(qū)動，綜述介紹了更多主動響應的驅(qū)動方式。

氣動驅(qū)動器是最成熟的一類，過去AM易道也大量分享過類似成果。

通過在彈性體內(nèi)部打印氣腔，充氣時產(chǎn)生膨脹和變形。

DLP用灰度圖案控制光照強度，從而控制固化程度，在單次打印中就能實現(xiàn)從高彈到半剛性的連續(xù)過渡。

這種梯度設計可以讓同一個氣動驅(qū)動器產(chǎn)生拉伸、扭轉(zhuǎn)、收縮或彎曲等不同運動模式，性能比均勻結(jié)構(gòu)提升30%以上。

液晶彈性體(LCE)則是熱響應驅(qū)動器的代表。

LCE的分子鏈在加熱時會從有序排列變?yōu)闊o序，產(chǎn)生可逆的宏觀收縮，形成各向異性結(jié)構(gòu)。

這種LCE驅(qū)動器可以實現(xiàn)抓取、爬行、舉重等復雜動作，而且響應速度快、輸出力大。

形狀記憶聚合物(SMP)則提供了可編程的形變能力。

通過在不同溫度下加載和卸載應力，SMP可以記憶多個形狀并在溫度變化時切換。

這些智能材料驅(qū)動器和人形機器人的被動肌肉結(jié)構(gòu)并不矛盾，反而可以互補：

被動晶格結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)剛度和運動模式，主動智能材料提供局部的精細控制和快速響應。

柔性傳感器：為肌肉裝上神經(jīng)

仿生肌肉不能只會動，還得有感知。DLP3D打印的柔性傳感器正在解決這個問題。

電阻式傳感器基于離子導電水凝膠或離子彈性體，當材料變形時，導電路徑改變，電阻隨之變化。

通過DLP打印成網(wǎng)格狀或多孔結(jié)構(gòu)，可以提高貼合性和靈敏度。

最令人興奮的是，這些傳感器可以在同一次打印中與肌肉結(jié)構(gòu)集成。

多材料DLP可以在打印氣動驅(qū)動器的同時，嵌入壓力傳感器、溫度傳感器和彎曲傳感器，實現(xiàn)真正的本體感知。

綜述還總結(jié)了DLP3D打印柔性器件的未來方向：標準化工藝、混合打印、多材料集成、復雜幾何、多功能墨水、高效光化學、多樣材料選擇以及計算設計與測試。

這些方向都指向一個目標：讓3D打印成為柔性智能系統(tǒng)的通用制造平臺。

案例三：NASA的HULK機器人肌肉項目

如果說前兩個案例展示的是技術(shù)的可能性，那么NASA馬歇爾航天中心的HULK項目，則展示了技術(shù)的可行性。

HULK，全稱是Highly dexterous Unmanned Lunar-surface Kinematics，是NASA為月球和火星任務開發(fā)的人形機器人。

NASA選擇了光固化3D打印柔性材料來構(gòu)建HULK的肌肉系統(tǒng)。

材料選擇是Agilus30，這是一種Shore A硬度30-35的光敏彈性體。

它的斷裂伸長率在220-270%之間，抗撕裂強度高，而且可以承受真空和溫度循環(huán)(從-40°C到+80°C)。

可以看到，和小鵬IRON類似，HULK的肌肉系統(tǒng)使用了晶格結(jié)構(gòu)。

HULK的肌肉系統(tǒng)采用了密度漸變設計：從高密度(剛性區(qū))到低密度(柔性區(qū))平滑過渡，模擬肌肉-肌腱-骨骼的自然過渡。

這種設計和大象機器人的拓撲漸變有異曲同工之妙，只是實現(xiàn)方式不同。

大象機器人通過混合bcc和XCube改變晶格類型，NASA通過改變gyroid的相對密度。

但本質(zhì)都是：通過幾何結(jié)構(gòu)的漸變，用單一材料實現(xiàn)多種力學性能。

據(jù)公開信息，HULK經(jīng)過了數(shù)百次的真空熱循環(huán)測試和數(shù)千次的運動循環(huán)測試，沒有出現(xiàn)明顯的性能退化。

這說明3D打印的彈性體結(jié)構(gòu)，不僅性能好，而且足夠可靠，可以用于極端環(huán)境。

當機器人被剪開，我們看到了什么

回到開頭的問題：

為什么人形機器人的肌肉必須用3D打印，特別是光固化彈性體?

現(xiàn)在，答案已經(jīng)很清楚了。

AM易道答案一：成熟的3D打印技術(shù)用單一材料就可以滿足從柔軟到剛硬的跨度要求。

生物體內(nèi)，從脂肪到骨骼，剛度跨越了近九個數(shù)量級。

雖然沒有一種材料能覆蓋全部范圍，但通過幾何編程，無論是EPFL的拓撲混合、NASA的密度漸變，還是其他的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

通過3D打印，單一彈性材料可以覆蓋從kPa到數(shù)百kPa的范圍，足以滿足軟體軀干和剛性骨骼的需求。

AM易道答案二：傳統(tǒng)制造根本無法實現(xiàn)復雜的漸變結(jié)構(gòu)。

仿生肌肉的核心不只是材料，而是結(jié)構(gòu)設計。

鑄造、鍛造、光刻，這些傳統(tǒng)工藝都有各自的幾何限制。

只有3D打印，能夠在三維空間中任意分布不同的晶格類型、不同的密度、不同的連接方式，實現(xiàn)真正的幾何自由。

AM易道答案三：光固化在速度、精度、成本上達到了最優(yōu)平衡。

相比于其他3D打印技術(shù)，前面已經(jīng)分析過了。

三個案例，三個角度，共同指向一個結(jié)論：

光固化彈性體3D打印，正在成為仿生肌肉的標準答案。

但這不是終點。

材料端，光固化彈性樹脂的性能還有很大提升空間。

如何進一步擴大剛度范圍，如何提高疲勞壽命，如何增強環(huán)境適應性，這些都是材料科學家正在攻克的問題。

設備端，大幅面、高速度的DLP打印機是剛需。

人形機器人的軀干可能需要更大的打印幅面。

另外就是晶格結(jié)構(gòu)還有利于散熱，這個大話題未來得新開一篇文章來講。

當Iron被剪開的那一刻，何小鵬證明了機器人里沒有真人。

這一刀剪開的，是一個3D打印巨大應用市場的大門。

誠如網(wǎng)友所說的，當《西部世界》類似場景哪怕只到來1%，3D打印的需求將大爆發(fā)。

難以區(qū)分的人形機器人顯然將成為新的行業(yè)引爆點，而人形機器人的3D打印肌肉，也將從實驗室走向產(chǎn)線。

對于人形機器人的物理存在而言，不論是肌肉和還是皮膚，3D打印光固化彈性體不會是唯一的答案，但顯然已是當下最可行的答案。

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