软体机器人因其柔性特征在医疗、工业等领域具有广阔应用前景,但长期以来面临一个核心瓶颈:如何确保其运动的精准性和可预测性。
传统制造工艺依赖于模具浇筑、分层组装、薄膜粘贴等多个环节,不仅耗时冗长,而且难以精确控制结构的变形方向和幅度。
这一制约因素严重限制了软体机器人在精密应用领域的推广。
哈佛大学工程与应用科学学院的研究团队在多材料打印领域先驱珍妮弗·刘易斯的指导下,通过整合现有技术创新,研发出一套全新的解决方案。
研究生杰克逊·威尔特与前博士后研究员娜塔莉·拉森主导的这项研究,核心突破在于设计了旋转式多材料3D打印系统。
该系统采用单一旋转喷头,能够实现多种材料的同步精准挤出。
打印过程中,喷头持续旋转运动,使研究人员可以精确控制每种材料在打印丝材中的分布位置和取向,相当于在材料内部绘制出精密的螺旋结构。
这项技术的创新之处在于其独特的材料组合方案。
打印件的外层采用高强度聚氨酯材料,形成坚固耐用的外壳结构。
内部则填充一种名为泊洛沙姆的凝胶状聚合物,这种物质常见于日化产品中,具有易溶解的特性。
打印完成后,研究人员通过简单的冲洗工序将内部凝胶清除,从而留下形状精密的中空通道。
这些通道的几何特征被精心设计,充当了可编程的"肌肉"角色。
当向通道内注入压缩空气或液体时,流体的流动会驱动整个结构按照预设的方向进行弯曲、扭转或伸展运动。
该技术的革命性意义在于彻底改变了软体机器人的设计与制造逻辑。
传统工艺需要分别制造各个零部件,然后通过分层浇筑、粘贴薄膜、密封组件等繁琐步骤进行组装,整个过程往往需要数天时间。
而采用新技术后,打印机可以在一次打印过程中完成整套驱动结构的制作,无需任何后续组装。
这不仅大幅缩短了生产周期,更重要的是,设计人员只需调整打印参数就能实现不同的功能需求,无需重新构建硬件设备。
过去需要数天才能完成的复杂装置重新设计,如今仅需数小时即可实现。
为验证技术的实际可行性,研究团队打印了两个概念性部件进行演示。
其中一个是充气后能如花朵般舒展开放的螺旋驱动器,另一个是具有关节指节、可精确卷曲抓取物体的柔性夹持器。
两款样机均通过连续的3D打印路径实现一体成型,充分展示了该技术的精准控制能力和制造效率。
从应用前景看,这项技术的价值远超工业机器人领域。
可编程的柔性结构可广泛应用于医疗手术领域,用于制造能够适配人体组织的精密手术器械;可用于开发贴合身体曲线的可穿戴辅助设备,为患者提供个性化的医疗支持;也可用于制造能够安全抓取易碎物品的工业夹持器,提升生产效率。
现已加入斯坦福大学任教的拉森认为,这项研究代表了该领域的理念性变革。
过去,运动功能往往是后期附加在机器人上的独立部件;而这项新技术使得功能可以直接被"打印进"机器人的本体之中,实现了设计理念的根本转变。
当"几何结构即运动代码"的理念照进现实,人类对智能材料的认知边界再次拓展。
这项技术突破不仅标志着制造工艺的革新,更揭示了"功能内生"这一未来装备研发的重要方向。
随着材料科学与数字技术的深度融合,传统"先造形、再赋智"的生产范式或将迎来根本性重构,为高端装备领域打开更具想象力的发展空间。