Nature Communications 新型3D打印软体机器人突破速度与强度极限
作者：系统管理员 发布日期：2025-07-02 浏览次数：

软体机器人凭借弹性材料（如硅胶、水凝胶）在安全性和环境适应性上优势显著，能穿越复杂地形（如废墟、陡坡）。然而，其结构强度弱和运动轨迹低效（依赖开放曲线路径）两大缺陷，导致速度慢、摩擦大，严重限制实际应用。传统气动驱动虽能实现爬行，却难以兼顾速度与精度。如何让软体机器人“刚柔并济”？近日，美国塔夫茨大学等研究团队以"Arc-heating actuated active-morphing insect robots"为题在 Nature Communications 期刊发表了相关研究，为微型机器人的设计提供了全新的思路。

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文章简析

    仿生灵感：从马蹄运动到四连杆设计

    “自然是最好的工程师”研究团队观察到四足动物（如马）行走时，足端轨迹呈反向D形：

    • 平直段（支撑相）：足部贴地后拖，减少地面作用力；

    • 弧形段（摆动相）：足部离地前摆；这种闭曲线轨迹高效节能，但软体材料难以精确复现。团队创新性地引入经典四连杆机构，通过多材料3D打印技术，将生物运动转化为机械设计。

    三大创新突破

    1. 多材料融合打印技术

    • 材料配方：采用三种邵氏硬度TPU材料（75D硬骨架/95A过渡层/85A软关节）；

    • 接口革命：对比直连、燕尾榫、指接三种接口，发现燕尾榫与指接抗拉强度提升4倍，彻底解决分层问题；

    • 工艺升级：多喷头热熔沉积（FDM）技术实现一体化打印，关节与连杆硬度梯度化设计。

    2. 刚柔并济的仿生结构

    • 关节软化：关节采用85A超软TPU模拟生物屈伸；

    • 连杆强化：75D高硬度TPU确保结构稳定性；

    • 无栓设计：摒弃传统金属插销，利用材料柔性实现转动，重量减轻40%。

    3. 闭环控制系统

    • 集成磁编码器与定制电路板；

    • 独立控制四条腿的步态（以对角小跑步态为主）；

    • 实时调整足端轨迹，适应沙地、岩石等复杂地形。

    性能突破

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    极端环境测试：整车碾压后，机器人凭借弹性形变完全恢复原状；刚性对照版则彻底碎裂。

    图片解析

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    图1. 将经典机构设计扩展到软机器人的框架。a 设计过程。受到大自然的启发，我们观察马等四足动物的行走轨迹。然后，我们从四条图集中选择一个轨迹。我们在理想设计域中综合了相应的连锁机构。最后，我们通过用软硬材料的变化替换理想的接头和链接，将连杆转换为多材料设计。b 应用程序。我们组装打印部件并将电子元件集成到机器人本体中，打造出“软机制驱动机器人”。
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    图2.材料和制造方法。 a 邵氏硬度标尺将我们的细丝与其他常见材料进行比较。b 将三种不同的细丝分配给三台独立的挤出机的制造装置，以及打印床上腿部机构和机器人本体的最终打印。
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    图3.多材料拉伸试验试样的拉伸试验装置和 Young 模量实验。a 不同标本的组合。b 带有手指接口的 NinjaFlex （85A）/Cheetah （95A） 样品的测试。c 带有手指接口的均匀犰狳 （75D）、均匀猎豹 （95A）、均匀 NinjaFlex （85A） 和猎豹 （95A）/NinjaFlex （85A） 样本应力-应变图。d Cheetah （95A）/NinjaFlex （85A） 样品的杨氏模量。e 犰狳 （75D）/NinjaFlex （85A） 样品的杨氏模量。f 犰狳 （75D）/猎豹 （95A） 标本的杨氏模量。组合结构的杨氏模量在材料变化之间变化。
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    图4.轨迹分析。a 产生所需轨迹的机制的分析综合。b 在半空中启动腿部机构，以跟踪脚部以生成轨迹。c 在 FEA 域中复制的整体机构以数值计算足部轨迹。d 通过图像处理获取的轨迹数据。e 在有限元仿真中生成的轨迹数据。
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    图5.不同连杆或材料组合对运动和质心运动影响的实验数据。材质组合对运动平滑度有明显的影响，较软的组合与运动方向的振荡减少和范围扩大相关。a 不同合成组合的腿轨迹的图像跟踪。b 不同材料组合的腿部轨迹的图像跟踪。c 测试了不同的合成机制。d 测试了不同的材料组合。e 不同合成组合的质心图像跟踪。f 不同材料组合的质心图像跟踪。
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    图6.柔性和刚性机器人底盘的抗冲击性测试。a 冲击试验的力与位移图表明，柔性底盘在力增加之前会承受变形。刚性底盘图中的尖峰表示断裂点。b 测试后，柔性底盘恢复到原来的形状，而刚性底盘由于塑性变形和断裂而保持扁平。c 测试设置的图片。
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    图7.在不同环境中运行的机器人。a 在土壤上行走的机器人。b 机器人在岩石上行走。c 被汽车撞倒的机器人。d 机器人攀爬陡峭的岩石（垂直轨迹 - 图 D）。5c）。e 机器人在泥土中行走。f 机器人在沙地上行走。g 机器人在地毯上行走。
    应用前景和展望

    应用场景：从实验室走向现实

    1. 灾难救援：在碎石、泥土环境中稳定行走

    2. 野外勘探：攀爬陡坡岩石，穿越沙地

    3. 工业检测：适应管道、狭窄空间等非结构化环境

    4. 人机协作：柔性机身保障人机交互安全

    未来展望：突破与挑战

    • 电子系统柔性化：当前刚性电路板限制形变能力，需开发嵌入式柔性电路

    • 极端环境适应：TPU材料耐温性有限（玻璃化转变温度约80℃），亟待新材料

    • 水下应用：电机防水处理后可拓展至水域探测

    • 人工智能融合：结合视觉传感器实现自适应步态切换

    通过融合经典机构学与多材料打印，让软体机器人同时拥有螳螂的灵活性与甲虫的坚固性。这项研究不仅解决了软体机器人领域的核心矛盾，更以桌面级3D打印的低成本方案，为未来机器人定制化打开大门。

    文章来源：仿生科学与工程