哈佛大学工程师开发出一种新型3D打印技术，能使软体机器人在充气时按预定方式进行弯曲、扭转和形状变化。

该技术将形态变化行为直接嵌入打印结构中，大幅消除了长期困扰软体机器人设计的不确定性因素。通常采用柔性生物相容材料制造的软体机器人，在外科手术到工业抓取等领域的应用前景日益广阔，但其运动控制始终存在挑战。

传统制造依赖模具、分层铸造和表面图案化气道的工艺，使定制过程缓慢而复杂。新方法通过单一3D打印流程替代了这些步骤，制造出包含精确定位中空通道的细长柔性细丝结构。当空气泵入这些通道时，结构会沿特定预编程方向弯曲。

这项研究由哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院詹妮弗·刘易斯实验室的博士生杰克逊·威尔特和前博士后研究员娜塔莉·拉尔森主导。团队将刘易斯实验室开发的多种现有打印技术融合为单一制造策略，实现了无需模具的快速设计变更。

关键技术在于旋转多材料3D打印工艺——通过单个喷头同步打印多种材料。研究人员在打印过程中旋转喷头，从而控制不同材料在每根细丝内的分布位置。

将运动编程于物质之中
采用这种方法，团队打印出具有坚韧聚氨酯外壳和可去除内芯的细丝结构，内芯材料采用发制品中常见的凝胶状聚合物。通过调节喷头旋转速度、流量和几何参数，研究人员能高精度控制内部通道的朝向、尺寸与形状。外壳固化后，内芯凝胶被冲洗移除，形成中空通道。这些通道作为内置气动通路，在加压时驱动结构运动。根据通道排布方式，细丝可实现可预测的弯曲、扭转或收缩变形。

"我们通过单出口使用两种材料，利用旋转编程控制机器人充气时的弯曲方向，"威尔特表示，"我们的目标是为各种应用创造受生物启发的柔性机器人。"

与传统软体机器人制造不同，该方法无需铸造、密封和多步组装工序。通过调整打印参数即可快速修改设计，无需重建模具。

从花朵到抓取器
为展示该技术，研究人员以连续路径打印出螺旋状花朵型致动器，充气时会展开并卷曲。他们还制造出具有五个指头和明确关节结构的手形抓取器，展示了单次打印即可实现复杂的关节运动。

由于这些结构采用柔性且具有生物相容潜力的材料打印，该技术有望应用于手术机器人、辅助设备和人机交互界面等领域。快速定制运动的能力也将惠及专门处理精密物体的柔性制造工具。

现任斯坦福大学助理教授的拉尔森与威尔特指出，这项技术通过将功能直接嵌入打印物质而非后期附加，为软体机器人设计提供了全新思路。