3D打印可變型自適應(yīng)噴嘴，中空纖維一鍵造軟體機器人

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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(zhí)行器看起來簡單，做起來要命。

傳統(tǒng)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(fù)雜一點的形狀，模具本身就成了噩夢。

3D打印本應(yīng)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(guān)鍵的是，想讓執(zhí)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(xué)Jochen Mueller團(tuán)隊最近在Device期刊發(fā)表的這項工作，給出了一個相當(dāng)優(yōu)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(xù)變化的中空纖維。

他們稱之為自適應(yīng)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(fù)裝置，還做了一只能爬行的仿生海龜機器人。

從原理到應(yīng)用，論文走得相當(dāng)完整。

AM易道對于該文章的許多理解和表達(dá)已脫離原文章的原始技術(shù)表述，有大量原創(chuàng)主觀的解讀創(chuàng)作成分，如需要了解更多原始硬核技術(shù)內(nèi)容，請自行閱讀原文。

關(guān)鍵在于：八根針尖的位置可以獨立或聯(lián)動控制。

當(dāng)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(cè)間隙寬，一側(cè)間隙窄。

擠出的纖維自然就是一側(cè)壁厚、一側(cè)壁薄。

這種壁厚差異正是充氣執(zhí)行器實現(xiàn)定向彎曲的物理基礎(chǔ)。薄壁側(cè)更容易膨脹，厚壁側(cè)相對剛性更高，充氣時纖維就會朝著厚壁側(cè)彎曲。

此技術(shù)直接在擠出過程中完成，而且可以沿著打印路徑實時調(diào)整，這意味著一根連續(xù)的纖維可以包含多個不同彎曲方向的關(guān)節(jié)段。

Figure 1展示了這套系統(tǒng)的核心構(gòu)型。

Figure 1把這套系統(tǒng)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(huán)，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(xù)擠出的纖維，靠截面變化就實現(xiàn)了局部可動、局部固定。

流體力學(xué)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(cè)的流動阻力大，墨水流速慢；寬間隙側(cè)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(chǎn)生偏差。

Mueller團(tuán)隊對此做了系統(tǒng)研究。

他們發(fā)現(xiàn)非對稱越大，流速差異越顯著。

為了驗證這個效應(yīng)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(fù)制品進(jìn)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(zhì)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(xiàn)漏氣缺陷。

從幾何到力學(xué)：設(shè)計空間有多大
壁厚分布確定后，執(zhí)行器的彎曲角度和驅(qū)動力就成了設(shè)計參數(shù)
這部分團(tuán)隊用有限元分析做了系統(tǒng)的參數(shù)掃描。

Figure 3回答的是設(shè)計者最關(guān)心的問題：

我想讓纖維彎多少度、出多大力，該怎么調(diào)參數(shù)？

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(nèi)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(shè)計一根七段纖維，每段旋轉(zhuǎn)方向差90度，打印出來充氣，真的扭成了三維螺旋。

設(shè)計意圖和實際效果吻合，仿真可信。

團(tuán)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(huán)約100次后斷裂；

小變形工況下可以穩(wěn)定工作數(shù)千次。

這個壽命水平和傳統(tǒng)充氣執(zhí)行器相當(dāng)。

兩個應(yīng)用案例：康復(fù)手套和爬行海龜

Mueller團(tuán)隊選了兩個方向：

一個是貼近人體的可穿戴康復(fù)裝置，一個是需要復(fù)雜運動學(xué)的仿生爬行機器人。

手部輔助裝置的設(shè)計邏輯很清晰：

五根纖維分別對應(yīng)五根手指，每根纖維的固定段對準(zhǔn)手指骨節(jié)，變形段對準(zhǔn)關(guān)節(jié)。

所有變形段的厚壁側(cè)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(xiàn)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(shè)計圖和真人手掌疊在一起，哪段對哪個關(guān)節(jié)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(shè)計更有意思。

自然界中海龜?shù)啮捴\動是復(fù)雜的三維軌跡，用傳統(tǒng)方法需要多自由度驅(qū)動。

Mueller團(tuán)隊的方案是：用單一氣壓源驅(qū)動單根纖維，但通過設(shè)計不同段的壁厚差異，讓各段在不同氣壓區(qū)間依次激活。

Figure 5的巧妙之處在于用一個氣壓源實現(xiàn)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(xù)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(huán)。

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(xiàn)了抬腿、邁步、收腿的完整步態(tài)。

這個設(shè)計思路本身就很有啟發(fā)性。

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

從商業(yè)角度看，這套系統(tǒng)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(shù)的限制還在于最大非對稱比，極端壁厚差的設(shè)計會導(dǎo)致漏氣缺陷。

其次，單根纖維只能實現(xiàn)單自由度彎曲，復(fù)雜運動仍然需要巧妙的段設(shè)計或多纖維配合。

論文也提到，未來計劃引入多芯系統(tǒng)以實現(xiàn)多自由度驅(qū)動。

AM易道認(rèn)為，這項工作最值得關(guān)注的是那個3D打印噴嘴的設(shè)計：

把噴嘴形狀從固定參數(shù)變成動態(tài)控制變量，把截面幾何從單一形態(tài)變成沿路徑連續(xù)分布的設(shè)計空間。

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

對于正在探索軟體執(zhí)行器、柔性機器人、或者任何需要精確控制中空結(jié)構(gòu)的3D打印從業(yè)者來說，這篇論文值得細(xì)讀。

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