软体机器人技术一直面临着驱动方式的瓶颈。传统刚性电机和气动装置难以满足软体机器人对柔性、轻量化和高自由度运动的需求。哈佛大学的研究团队近日取得重大突破，他们开发出了一种旋转式多材料3D打印策略，能够将柔软的毛发状细丝变成可编程的人造肌肉，为软体机器人驱动技术开辟了全新的路径。
仿生设计：从自然中寻找灵感
这项研究的灵感来源于自然界中的肌肉收缩机制。生物肌肉通过大量肌纤维的协同收缩产生力和运动，而哈佛团队利用3D打印技术，制造出直径仅为数百微米的柔软细丝阵列，每根细丝都可以独立或协同地在外界刺激下产生形变。
研究人员采用了一种旋转式多材料3D打印方法，在打印过程中同时沉积多种材料，构建出具有梯度结构和各向异性力学性能的细丝。这些细丝在外部热刺激下会发生可控的弯曲、扭转和收缩运动，模仿生物肌肉的收缩模式。与传统的气动或电动驱动方式相比，这种仿生驱动方案更具柔性和安全性。
多材料打印实现梯度力学设计
这项技术的核心在于旋转式多材料3D打印工艺。研究团队在打印喷头中集成了多个材料通道，可以在打印过程中实时切换材料组分，实现细丝沿长度方向和径向的梯度材料分布。
通过精确控制不同材料的配比和分布，细丝的不同区域展现出差异化的热响应特性。当施加外部热刺激时，不同区域由于热膨胀系数和形变率的不同，产生差异化的形变，进而转化为细丝的整体弯曲或扭转运动。这种设计思路与生物肌肉中肌纤维的排列方式有着异曲同工之妙。
测试结果显示，这种3D打印人工肌肉丝的响应速度可达毫秒级，能够产生足够的力量来驱动微型软体机器人的各类动作。多根细丝联合工作时，可以实现更加丰富和复杂的运动模式，包括抓取、爬行、摆动等。
软体机器人技术的下一个突破口
哈佛团队的这项突破性研究对于软体机器人领域具有重要的推动作用。当前软体机器人技术在医疗辅助、海底探索和精密装配等场景中展现出巨大的应用潜力，但驱动方式的限制一直是制约其规模化应用的关键瓶颈。
3D打印可编程人工肌肉丝的出现，提供了一种全新的驱动范式。与传统驱动方式相比，它具有结构简单、重量轻、噪音低、运动平滑等突出优势。特别是在与人交互的辅助机器人和可穿戴设备领域，这种柔性驱动技术的安全性和舒适性更加显著。
研究团队表示，下一步将重点优化细丝的集成工艺，实现大规模阵列化制造，并探索在电刺激和光刺激下的驱动性能，进一步拓展人工肌肉丝的应用场景和驱动方式。
来源：南极熊3D打印网