哈佛大学顶刊“七十二变”软体机器手，旋转多材料3D打印新方法 ...

集群智慧张老师

软体机器人，又迎来新突破！
8 D) w" B$ o3 Q  R  |. V凭借其独特的柔性和适应性，软体机器人在医疗、人机交互和可穿戴设备等领域的潜力早已不是秘密。但如何快速、高效地制造出结构复杂、功能可编程的软体机器人，一直是困扰着科学家们的难题。
/ h, N5 A& X7 z* z/ y/ s6 c传统的制造方法，如模具铸造，不仅流程繁琐、耗时，而且极大地限制了设计的自由度。现在，来自哈佛大学的研究团队，给出了一套全新的解决方案。
( _/ K7 I  j& e- s' {" {+ o他们提出了一种名为旋转多材料3D打印（RM-3DP）的全新制造范式，赋予了软体机器人堪比“七十二变”的复杂形变能力，能够将复杂的内部气动网络直接“打印”进软体机器人的身体里，就像一次性为机器人植入了可编程的“血管”和“肌肉”。
通过这种方法，他们不仅能制造出可以精确控制弯曲、扭转的纤维，还能打印出会开花的“机器花朵”，甚至是一只能够独立控制五指、完成抓握动作的“机器手”！

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这项重磅研究已发表在材料科学领域国际顶级期刊 Advanced Materials上。
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01.
: }. x3 ^$ d( X2 `" \, V$ a0 x) c一根“管中管”：旋转打印技术揭秘
5 [2 u; T3 C: S5 C: `  o1 L这项技术的精髓，在于一个特殊设计的3D打印喷头和两种协同工作的“墨水”。
. C9 G1 C, N, O想象一下，打印机挤出的不再是一根实心线条，而是一根精巧的“管中管”——也就是研究中提到的核-壳结构（core-shell）长丝。
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• “壳”，是软体机器人的身体，由一种光固化弹性体墨水构成。
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• “核”，则是未来用于通气驱动的通道，在打印时由一种特殊的“牺牲墨水”（fugitive ink）填充。
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这种“牺牲墨水”是一种温敏性凝胶（Pluronic F-127），在室温打印时是固体，能稳定地支撑结构；而一旦制造完成，只需用0°C的冰水一冲，它就会瞬间液化并被冲走，留下一个中空的、成型的气动通道。

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# _+ b( |7 J6 P# [: R% a. ]4 t  N更关键的是，这个内部通道并不是对称的。通过精确设计喷头内部的几何形状（如上图c中的角度φ），研究人员可以制造出不对称的通道截面。当向这个不对称的通道充气时，由于通道壁厚薄不均，长丝就会向着更厚、更强韧的一侧弯曲，从而实现驱动。
而这项技术真正的“杀手锏”，是“旋转”。
打印喷头可以一边挤出材料，一边进行高速旋转。这意味着，研究人员可以在打印一根长丝的过程中，任意改变其内部不对称通道的朝向。
1 C$ W; R& U- W3 E5 c# Y# _比如，保持通道方向不变，打印出的就是直线弯曲的驱动器。如果在中点旋转180度，驱动器就会向相反方向弯曲，形成一个S形。如果连续旋转，就能得到一个螺旋形的驱动器。
此外，通过控制“牺牲墨水”的挤出流速（Qf），还能动态改变通道的横截面积。流速大，通道就粗，驱动形变就大；流速小，通道就细，甚至可以使其几乎不产生形变，成为一个“惰性”的连接段。
这种在打印过程中对内部通道的方向、形状和尺寸进行亚体素级别（subvoxel-level）的动态编程能力，为制造前所未有的复杂软体机器人打开了大门。
02.
从线到面：为软体机器人编程“七十二变”
, s; s3 D2 z3 X$ M( u& _' O掌握了这项“独门绝技”后，研究团队开始展示他们如何为软体机器人“编程”出堪称“七十二变”的各种复杂形态。
, o9 P: P& F  a' B! ^4 n首先是一维（1D）长丝。他们打印出的单根长丝，在充气后可以精确地弯曲成预设的曲率。实验结果与计算机模拟高度吻合，证明了该方法的可预测性和可靠性。


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  y4 `0 d8 K! y( \: h通过在打印路径中编程通道的旋转和流速，研究人员展示了多种复杂的形变模式：

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• 周期性弯曲：通过多次180度旋转，长丝在充气后会像波浪一样周期性地向不同方向弯曲。
  
• 螺旋扭转：通过连续旋转打印（w* = -1），长丝在驱动时会扭转成一个紧密的螺旋线圈，在83kPa的压力下，末端角位移高达880度。
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• 局部铰链：通过在长丝中打印一小段粗通道（高Qf），两侧连接细通道（低Qf），就形成了一个“铰链”。充气时，只有“铰链”部分会发生剧烈弯曲，弯曲角度可超过180度，实现“对折”效果。利用这个原理，他们甚至用一根长丝打印出了一个充气后能自动折叠成线框立方体的结构。
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7 b, U" o8 r0 R1 j( f+ E- z从一维走向二维（2D），研究人员将多根长丝并排打印，构建出可以大面积形变的“表面”。
他们设计了一种“棋盘格”图案的驱动器。在这个表面上，相邻的“格子”区域内部，气动通道的方向被设定为相反（一个朝上θf = 0°，一个朝下θf = 180°）。当整个结构充气时，就会出现有的区域向上拱起，有的区域向下弯曲的奇特景象，实现了对表面形貌的区域化编程控制。
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这些从线到面的演示，充分证明了RM-3DP技术在构建具有复杂、可编程形变能力的软体结构方面的强大潜力。
03.
3 Z  N3 f$ z  A1 D9 @“费马螺线”指路：打印出会抓握的机器手
( R; k8 M9 ^% A6 N要制造像人手一样复杂的仿生结构，光靠手动设计打印路径是远远不够的。为此，研究团队引入了一个强大的算法工具——基于费马螺线（Fermat spirals）的连续打印路径规划算法。
; @+ F/ @$ A0 z+ s7 A# M& `这个算法可以将任意二维矢量图像（比如一朵花或一只手的轮廓）自动转换成一条连续不断的打印路径。打印机沿着这条路径一笔画下来，就能完成整个复杂结构的填充。
7 P  T2 w* [, L& W! o3 u团队首先以一个六瓣花朵的图案作为演示。算法生成了连续的打印路径，同时，RM-3DP系统根据路径的走向，实时调整内部气动通道的方向，确保所有花瓣的通道都朝向内侧。打印、固化、冲走牺牲墨水后，一个精美的软体“机器花朵”便诞生了。轻轻充气，花瓣就会优雅地向中心卷曲，仿佛正在绽放。

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0 n3 N$ d! u% H& t* C最终，团队利用该方法制造出了一只软体机器手。
研究人员将人手的图像输入系统，算法自动生成了覆盖整个手掌和五根手指的连续打印路径。更巧妙的是，他们在手指的“关节”位置，通过程序化地改变挤出流速，预设了“铰链”结构。
9 o: n. z* g7 A! r  L5 ]7 ]) z最终成品是一只拥有5个独立气路输入的机器手。通过压力调节器，可以独立控制每一根手指的弯曲。从伸掌，到依次弯曲食指、中指、无名指和小指，动作十分灵活。
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为了展示其实用性，团队还将这只手固定在机械臂上，成功地让它围绕一个泡沫小球实现了保形抓握，并将其稳稳地从桌上提起。
这一系列从算法设计到功能实现的完整演示，将这项技术的潜力推向了高潮。它不仅仅是一种新的制造方法，更是一套集设计、路径规划、材料打印于一体的自动化工作流程，能够将复杂的仿生设计快速转化为功能强大的实体机器人。
总而言之，哈佛大学团队的这项工作，通过将旋转多材料3D打印与算法路径规划相结合，极大地拓展了软体机器人的设计和制造边界，为未来开发更复杂、更智能、更能适应环境的软体机器人铺平了道路。
论文链接：
- `; Q1 @$ P, O" ohttps://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202510141