哈佛团队突破软体机器人精度瓶颈：3D 打印把运动指令直接嵌入材料

2 月 9 日消息，工程师们在谈论软体机器人时，精度往往是最欠缺的一环。制造柔性机械从来都不是难题，真正的挑战在于让它们的运动具备可预测性。如今，哈佛大学的一支研究团队表示，他们借助一种 3D 打印技术攻克了这一难题，该技术能将运动指令直接“编码”到材料内部。

这项发表于《先进材料》（Advanced Materials）的研究，取代了传统软体机器人制造中缓慢、多步骤的模具浇筑与成型工艺。研究人员研发出一种 3D 打印结构，只需向内置通道中注入空气，就能让结构按照程序设定精准扭转、卷曲或弯曲。

该研究源自珍妮弗 · 刘易斯的实验室，她是多材料打印领域的先驱人物。研究生杰克逊 · 威尔特与前博士后研究员娜塔莉 · 拉森，将实验室多项现有技术整合，开发出旋转式多材料 3D 打印技术：通过单一旋转喷头，实现多种材料同步挤出成型。

打印过程中喷头持续旋转，研究人员可精准控制每种材料在打印丝材中的分布位置，如同在管道内部绘制螺旋结构。结构外层采用高强度聚氨酯材料，形成坚固耐用的外壳。

内部填充一种名为泊洛沙姆的凝胶状聚合物（常见于洗护产品），它会临时占据后续气动通道的空间。打印件固化后，内部凝胶可被轻松冲洗掉，留下形状精密的中空通道。

这些通道相当于可编程的“肌肉”。加压后，空气或液体在通道内流动，驱动结构按预设方式弯曲、扭转或伸展。每根丝材可设置不同取向与几何结构，相当于将运动逻辑直接嵌入材料本身。“我们用单一喷头挤出两种材料，通过旋转喷头，就能预设机器人充气后的弯曲方向。”威尔特介绍道。

该技术的简洁性彻底重构了软体机器人的设计逻辑：无需再分开制造零部件，分层浇筑、粘贴薄膜、密封组件等工序全部省略，打印机可一步成型完成整套驱动结构的制作。

该流程无需重构硬件设备，只需调整打印参数即可。过去需要数天组装的复杂装置，如今仅需数小时就能完成重新设计。

为验证实际效果，研究人员打印了两个概念性部件：一个是充气后如花朵般舒展的螺旋驱动器，另一个是带有关节指节、可卷曲抓取物体的夹持器。两款样机均通过连续 3D 打印路径一体成型。

据了解，这项技术的应用前景远超工业机器人领域：这种可编程柔性结构，可用于适配人体组织的手术器械、贴合身体的可穿戴辅助设备，或是能抓取易碎物品的工业夹持器。

现已加入斯坦福大学任教的拉森认为，这是该领域的理念性变革。过去，运动功能是后续附加在机器人上的部件；而她与威尔特提出，如今功能可直接被“打印进”机器人本体。该技术本质上是用几何结构作为代码，让设计者能直接控制软体结构充气后的运动表现。