在软体机器人领域，如何让机器人的运动具备可预测性一直是困扰工程师们的难题。尽管制造柔性机械并非难事，但要实现精准可控的运动却充满挑战。近日，哈佛大学研究团队宣称，他们借助一种创新的3D打印技术，成功攻克了这一关键难题，该技术能够将运动指令直接“写入”材料内部。
这项研究成果发表于《先进材料》期刊。传统的软体机器人制造工艺往往采用缓慢且多步骤的模具浇筑与成型方式，而此次研究则彻底取代了这一传统方法。研究人员开发出一种独特的3D打印结构，只需向其内置通道注入空气，就能让结构按照预设程序精准地实现扭转、卷曲或弯曲等动作。
该研究源于多材料打印领域先驱珍妮弗·刘易斯的实验室。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进行整合，创新出旋转式多材料3D打印技术。这种技术通过单一旋转喷头，实现多种材料同步挤出成型。在打印过程中，喷头持续旋转，研究人员能够精准控制每种材料在打印丝材中的分布位置，如同在管道内部精心绘制螺旋结构。结构外层采用高强度聚氨酯材料，形成坚固耐用的外壳。
内部则填充一种名为泊洛沙姆的凝胶状聚合物，这种材料常见于洗护产品，它会临时占据后续气动通道的空间。待打印件固化后，内部凝胶可被轻松冲洗掉，从而留下形状精密的中空通道。
这些中空通道相当于可编程的“肌肉”。当对通道加压后，空气或液体在通道内流动，驱动结构按照预设方式弯曲、扭转或伸展。而且，每根丝材可设置不同的取向与几何结构，相当于将运动逻辑直接嵌入材料本身。威尔特介绍说：“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。”
这项技术的简洁性为软体机器人的设计逻辑带来了根本性变革。以往制造软体机器人需要分开制造零部件，再进行分层浇筑、粘贴薄膜、密封组件等繁琐工序，而如今，打印机可一步成型完成整套驱动结构的制作。并且，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，现在仅需数小时就能完成重新设计。
为验证该技术的实际效果，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。这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十分广阔，远不止局限于工业机器人领域。这种可编程柔性结构可用于制造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，这是该领域的一次理念性变革。过去，运动功能是后续附加在机器人上的部件；而现在，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。
