哈佛大學頂刊“七十二變”軟體機器手，旋轉(zhuǎn)多材料3D打印新方法

軟體機器人，又迎來新突破！

憑借其獨特的柔性和適應(yīng)性，軟體機器人在醫(yī)療、人機交互和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的潛力早已不是秘密。但如何快速、高效地制造出結(jié)構(gòu)復雜、功能可編程的軟體機器人，一直是困擾著科學家們的難題。

傳統(tǒng)的制造方法，如模具鑄造，不僅流程繁瑣、耗時，而且極大地限制了設(shè)計的自由度。現(xiàn)在，來自哈佛大學的研究團隊，給出了一套全新的解決方案。

他們提出了一種名為旋轉(zhuǎn)多材料3D打印（RM-3DP）的全新制造范式，賦予了軟體機器人堪比“七十二變”的復雜形變能力，能夠?qū)碗s的內(nèi)部氣動網(wǎng)絡(luò)直接“打印”進軟體機器人的身體里，就像一次性為機器人植入了可編程的“血管”和“肌肉”。

通過這種方法，他們不僅能制造出可以精確控制彎曲、扭轉(zhuǎn)的纖維，還能打印出會開花的“機器花朵”，甚至是一只能夠獨立控制五指、完成抓握動作的“機器手”！

這項重磅研究已發(fā)表在材料科學領(lǐng)域國際頂級期刊 Advanced Materials上。

01.

一根“管中管”：旋轉(zhuǎn)打印技術(shù)揭秘

這項技術(shù)的精髓，在于一個特殊設(shè)計的3D打印噴頭和兩種協(xié)同工作的“墨水”。

想象一下，打印機擠出的不再是一根實心線條，而是一根精巧的“管中管”——也就是研究中提到的核-殼結(jié)構(gòu)（core-shell）長絲。

• “殼”，是軟體機器人的身體，由一種光固化彈性體墨水構(gòu)成。
• “核”，則是未來用于通氣驅(qū)動的通道，在打印時由一種特殊的“犧牲墨水”（fugitive ink）填充。

這種“犧牲墨水”是一種溫敏性凝膠（Pluronic F-127），在室溫打印時是固體，能穩(wěn)定地支撐結(jié)構(gòu)；而一旦制造完成，只需用0°C的冰水一沖，它就會瞬間液化并被沖走，留下一個中空的、成型的氣動通道。

更關(guān)鍵的是，這個內(nèi)部通道并不是對稱的。通過精確設(shè)計噴頭內(nèi)部的幾何形狀（如上圖c中的角度φ），研究人員可以制造出不對稱的通道截面。當向這個不對稱的通道充氣時，由于通道壁厚薄不均，長絲就會向著更厚、更強韌的一側(cè)彎曲，從而實現(xiàn)驅(qū)動。

而這項技術(shù)真正的“殺手锏”，是“旋轉(zhuǎn)”。

打印噴頭可以一邊擠出材料，一邊進行高速旋轉(zhuǎn)。這意味著，研究人員可以在打印一根長絲的過程中，任意改變其內(nèi)部不對稱通道的朝向。

比如，保持通道方向不變，打印出的就是直線彎曲的驅(qū)動器。如果在中點旋轉(zhuǎn)180度，驅(qū)動器就會向相反方向彎曲，形成一個S形。如果連續(xù)旋轉(zhuǎn)，就能得到一個螺旋形的驅(qū)動器。

此外，通過控制“犧牲墨水”的擠出流速（Qf），還能動態(tài)改變通道的橫截面積。流速大，通道就粗，驅(qū)動形變就大；流速小，通道就細，甚至可以使其幾乎不產(chǎn)生形變，成為一個“惰性”的連接段。

這種在打印過程中對內(nèi)部通道的方向、形狀和尺寸進行亞體素級別（subvoxel-level）的動態(tài)編程能力，為制造前所未有的復雜軟體機器人打開了大門。

02.

從線到面：為軟體機器人編程“七十二變”

掌握了這項“獨門絕技”后，研究團隊開始展示他們?nèi)绾螢檐涹w機器人“編程”出堪稱“七十二變”的各種復雜形態(tài)。

首先是一維（1D）長絲。他們打印出的單根長絲，在充氣后可以精確地彎曲成預設(shè)的曲率。實驗結(jié)果與計算機模擬高度吻合，證明了該方法的可預測性和可靠性。

通過在打印路徑中編程通道的旋轉(zhuǎn)和流速，研究人員展示了多種復雜的形變模式：

• 周期性彎曲：通過多次180度旋轉(zhuǎn)，長絲在充氣后會像波浪一樣周期性地向不同方向彎曲。
• 螺旋扭轉(zhuǎn)：通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)打印（w* = -1），長絲在驅(qū)動時會扭轉(zhuǎn)成一個緊密的螺旋線圈，在83kPa的壓力下，末端角位移高達880度。
• 局部鉸鏈：通過在長絲中打印一小段粗通道（高Qf），兩側(cè)連接細通道（低Qf），就形成了一個“鉸鏈”。充氣時，只有“鉸鏈”部分會發(fā)生劇烈彎曲，彎曲角度可超過180度，實現(xiàn)“對折”效果。利用這個原理，他們甚至用一根長絲打印出了一個充氣后能自動折疊成線框立方體的結(jié)構(gòu)。

從一維走向二維（2D），研究人員將多根長絲并排打印，構(gòu)建出可以大面積形變的“表面”。

他們設(shè)計了一種“棋盤格”圖案的驅(qū)動器。在這個表面上，相鄰的“格子”區(qū)域內(nèi)部，氣動通道的方向被設(shè)定為相反（一個朝上θf = 0°，一個朝下θf = 180°）。當整個結(jié)構(gòu)充氣時，就會出現(xiàn)有的區(qū)域向上拱起，有的區(qū)域向下彎曲的奇特景象，實現(xiàn)了對表面形貌的區(qū)域化編程控制。

這些從線到面的演示，充分證明了RM-3DP技術(shù)在構(gòu)建具有復雜、可編程形變能力的軟體結(jié)構(gòu)方面的強大潛力。

03.

“費馬螺線”指路：打印出會抓握的機器手

要制造像人手一樣復雜的仿生結(jié)構(gòu)，光靠手動設(shè)計打印路徑是遠遠不夠的。為此，研究團隊引入了一個強大的算法工具——基于費馬螺線（Fermat spirals）的連續(xù)打印路徑規(guī)劃算法。

這個算法可以將任意二維矢量圖像（比如一朵花或一只手的輪廓）自動轉(zhuǎn)換成一條連續(xù)不斷的打印路徑。打印機沿著這條路徑一筆畫下來，就能完成整個復雜結(jié)構(gòu)的填充。

團隊首先以一個六瓣花朵的圖案作為演示。算法生成了連續(xù)的打印路徑，同時，RM-3DP系統(tǒng)根據(jù)路徑的走向，實時調(diào)整內(nèi)部氣動通道的方向，確保所有花瓣的通道都朝向內(nèi)側(cè)。打印、固化、沖走犧牲墨水后，一個精美的軟體“機器花朵”便誕生了。輕輕充氣，花瓣就會優(yōu)雅地向中心卷曲，仿佛正在綻放。

最終，團隊利用該方法制造出了一只軟體機器手。

研究人員將人手的圖像輸入系統(tǒng)，算法自動生成了覆蓋整個手掌和五根手指的連續(xù)打印路徑。更巧妙的是，他們在手指的“關(guān)節(jié)”位置，通過程序化地改變擠出流速，預設(shè)了“鉸鏈”結(jié)構(gòu)。

最終成品是一只擁有5個獨立氣路輸入的機器手。通過壓力調(diào)節(jié)器，可以獨立控制每一根手指的彎曲。從伸掌，到依次彎曲食指、中指、無名指和小指，動作十分靈活。

為了展示其實用性，團隊還將這只手固定在機械臂上，成功地讓它圍繞一個泡沫小球?qū)崿F(xiàn)了保形抓握，并將其穩(wěn)穩(wěn)地從桌上提起。

這一系列從算法設(shè)計到功能實現(xiàn)的完整演示，將這項技術(shù)的潛力推向了高潮。它不僅僅是一種新的制造方法，更是一套集設(shè)計、路徑規(guī)劃、材料打印于一體的自動化工作流程，能夠?qū)碗s的仿生設(shè)計快速轉(zhuǎn)化為功能強大的實體機器人。

總而言之，哈佛大學團隊的這項工作，通過將旋轉(zhuǎn)多材料3D打印與算法路徑規(guī)劃相結(jié)合，極大地拓展了軟體機器人的設(shè)計和制造邊界，為未來開發(fā)更復雜、更智能、更能適應(yīng)環(huán)境的軟體機器人鋪平了道路。

論文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202510141