在軟體機(jī)器人領(lǐng)域，如何讓機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)具備可預(yù)測(cè)性一直是困擾工程師們的難題。盡管制造柔性機(jī)械并非難事，但要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)可控的運(yùn)動(dòng)卻充滿挑戰(zhàn)。近日，哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)宣稱，他們借助一種創(chuàng)新的3D打印技術(shù)，成功攻克了這一關(guān)鍵難題，該技術(shù)能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)指令直接“寫入”材料內(nèi)部。

這項(xiàng)研究成果發(fā)表于《先進(jìn)材料》期刊。傳統(tǒng)的軟體機(jī)器人制造工藝往往采用緩慢且多步驟的模具澆筑與成型方式，而此次研究則徹底取代了這一傳統(tǒng)方法。研究人員開(kāi)發(fā)出一種獨(dú)特的3D打印結(jié)構(gòu)，只需向其內(nèi)置通道注入空氣，就能讓結(jié)構(gòu)按照預(yù)設(shè)程序精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、卷曲或彎曲等動(dòng)作。

該研究源于多材料打印領(lǐng)域先驅(qū)珍妮弗·劉易斯的實(shí)驗(yàn)室。研究生杰克遜·威爾特與前博士后研究員娜塔莉·拉森，將實(shí)驗(yàn)室多項(xiàng)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行整合，創(chuàng)新出旋轉(zhuǎn)式多材料3D打印技術(shù)。這種技術(shù)通過(guò)單一旋轉(zhuǎn)噴頭，實(shí)現(xiàn)多種材料同步擠出成型。在打印過(guò)程中，噴頭持續(xù)旋轉(zhuǎn)，研究人員能夠精準(zhǔn)控制每種材料在打印絲材中的分布位置，如同在管道內(nèi)部精心繪制螺旋結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)外層采用高強(qiáng)度聚氨酯材料，形成堅(jiān)固耐用的外殼。

內(nèi)部則填充一種名為泊洛沙姆的凝膠狀聚合物，這種材料常見(jiàn)于洗護(hù)產(chǎn)品，它會(huì)臨時(shí)占據(jù)后續(xù)氣動(dòng)通道的空間。待打印件固化后，內(nèi)部凝膠可被輕松沖洗掉，從而留下形狀精密的中空通道。

這些中空通道相當(dāng)于可編程的“肌肉”。當(dāng)對(duì)通道加壓后，空氣或液體在通道內(nèi)流動(dòng)，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)按照預(yù)設(shè)方式彎曲、扭轉(zhuǎn)或伸展。而且，每根絲材可設(shè)置不同的取向與幾何結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于將運(yùn)動(dòng)邏輯直接嵌入材料本身。威爾特介紹說(shuō)：“我們用單一噴頭擠出兩種材料，通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴頭，就能預(yù)設(shè)機(jī)器人充氣后的彎曲方向。”

這項(xiàng)技術(shù)的簡(jiǎn)潔性為軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)邏輯帶來(lái)了根本性變革。以往制造軟體機(jī)器人需要分開(kāi)制造零部件，再進(jìn)行分層澆筑、粘貼薄膜、密封組件等繁瑣工序，而如今，打印機(jī)可一步成型完成整套驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的制作。并且，該流程無(wú)需重構(gòu)硬件設(shè)備，只需調(diào)整打印參數(shù)即可。過(guò)去需要數(shù)天組裝的復(fù)雜裝置，現(xiàn)在僅需數(shù)小時(shí)就能完成重新設(shè)計(jì)。

為驗(yàn)證該技術(shù)的實(shí)際效果，研究人員打印了兩個(gè)概念性部件。一個(gè)是充氣后如花朵般舒展的螺旋驅(qū)動(dòng)器，另一個(gè)是帶有關(guān)節(jié)指節(jié)、可卷曲抓取物體的夾持器。這兩款樣機(jī)均通過(guò)連續(xù)3D打印路徑一體成型。

據(jù)了解，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊，遠(yuǎn)不止局限于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域。這種可編程柔性結(jié)構(gòu)可用于制造適配人體組織的手術(shù)器械、貼合身體的可穿戴輔助設(shè)備，或是能抓取易碎物品的工業(yè)夾持器。現(xiàn)已加入斯坦福大學(xué)任教的拉森認(rèn)為，這是該領(lǐng)域的一次理念性變革。過(guò)去，運(yùn)動(dòng)功能是后續(xù)附加在機(jī)器人上的部件；而現(xiàn)在，功能可直接被“打印進(jìn)”機(jī)器人本體。該技術(shù)本質(zhì)上是用幾何結(jié)構(gòu)作為代碼，讓設(shè)計(jì)者能直接控制軟體結(jié)構(gòu)充氣后的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。