3D打印“肌肉”让机械人动作更接近人类

经久以来，工程界已为机械人打造出类似骨骼、神经和感到体系的构造，但“肌肉”一向是最难仿真的一环。 传统机械人重要依附电机、液压和蔼动体系驱动，固然动作精准有力，却往往构造刚性大年夜、机构复杂、姿势不敷优雅，很难实现类似人体那样流畅、柔嫩又可精细控制的活动。 此前，研究人员曾测验测验以气动人工肌肉、热敏合金、电响应聚合物、磁性材料以及仿人体肌腱的拉索体系等实现软体驱动，但往往需配套粗笨的外部紧缩机、高电压装配或复杂机构，难以同时兼顾轻量化、响应速度与复杂形态制造。

此次哈佛约翰·A·保尔森工程与应用科学学院团队提出的新办法，则试图从材料层面“内置”活动逻辑。 研究人员应用3D打印技巧，将两类软性材料精确并列打印成细长的仿生“肌肉”纤维：一类为遇热会改变外形的液晶弹性体“主动材料”，另一类为抵抗形变的“被动弹性体”材料。 打印过程中，经由过程让喷嘴扭转，团队在微不雅标准上写入了螺旋状的分子取向模式，从而精细控制不合区域的响应行动。

在加热前提下，“主动”液晶弹性领会沿特定分子分列偏向产生紧缩，而与之慎密相连的“被动”材料则对这种紧缩形成阻抗，其成果是整根纤维会产生曲折、扭转、卷曲甚至盘绕等复杂形变。 经由过程改变两种材料的排布方法及喷嘴的扭转参数，研究人员可以在单根纤维内预设不合的变形轨迹，使其在受热时按预定方法伸展、紧缩、螺旋环绕纠缠或展开，无需额外齿轮、刚性关节或后期装配机构。

在实验展示中，团队打印了多种软性晶格构造和波浪状纤维，并经由过程加热不雅察其各自独特的形变方法。 有的构造在升温后体积明显膨胀，有的则整体紧缩；平面的晶格在受热后可隆起成穹顶状曲面，展示出明显的三维形变才能。 研究人员还应用这类材料制造了软体抓取器，可以或许在接近物体时下落包覆、随后收紧完成抓取，再在温度变更下松释放放，实现类似人手的柔性抓取过程。

根据研究团队介绍，这项技巧将来有望应用于自适应软体机械手、主动滤波与调节构造、生物医学装配、温度响应构件以及可变形机械人体系等范畴。 与传统驱动方法比拟，该办法与3D打印工艺高度兼容，有利于制造复杂且高度定制化的内部构造，使得此前难以经由过程惯例履行器实现的几何与活动组合成为可能。

不过，当前体系仍存在明显局限。 今朝纤维的激活重要依附热刺激，导致响应速度和能效方面尚难与成熟电机体系比肩，且整体输出才能不足以在高功率场景完全替代传统机械人履行机构。 研究人员表示，相干材料和构造设计仍处于实验阶段，后续须要在刺激方法、经久性、能量应用效力等方面持续优化，才能真正走向工程和贸易应用。

这项研究由哈佛大年夜学团队开展，具体成果已经由过程该校工程与应用科学学院渠道对外宣布。