3D打印類昆蟲“柔性機器人”面世 專家稱將加快各領域科研進展

3D打印正在不斷向新的領域突破。

     日前，有報道稱，美國加州大學圣地亞哥分校的研究人員利用3D打印技術，制造出一只柔性機器人，整個打印過程簡單而且快速。利用這一方法，可以僅使用3D打印機，便能實現(xiàn)制造類似昆蟲的柔性機器人。

     其中，最重要的技術突破就是3D打印出柔性骨架。柔性骨架與傳統(tǒng)的柔性機器人很不同，會像昆蟲的結構一樣在特定區(qū)域增強剛度，而傳統(tǒng)的柔性機器人一般只在實體上黏附柔性材料。據(jù)悉，一個完整組裝的類昆蟲柔性機器人，由幾個柔性骨架組成。每個骨架組件，需要大約10分鐘的打印時間，在不到兩小時內，就能打印和組裝出一個成品。

      值得注意的是，這一技術將大大降低成本。其單個組件的3D打印成本不到1美元，除此以外最貴的部件就是處理電源、傳感器和電池。科研界相關人士在接受21世紀經(jīng)濟報道記者采訪時認為，此類新的3D打印技術，將有助于加快各領域在科研方面的進展。“如果沒有3D打印，在實驗過程中，需要自己去尋找適合的零部件。如果要采取特殊的訂制方法，成本很高，絕對遠遠超過1美元。”

促進仿生領域發(fā)展

     近年來，3D打印技術作為一種快速成型技術，已經(jīng)趨于成熟化。該技術以數(shù)字三維模型為圖紙，采用數(shù)字技術材料打印機，以實現(xiàn)逐層打印制造物品。目前，已經(jīng)有不少企業(yè)開始使用3D打印技術制作的零部件，并且廣泛運用于汽車、航空、牙科、醫(yī)療等各大領域。

     據(jù)了解，3D打印柔性骨架，其主要方法是把剛性材料，打印在柔軟的薄聚碳酸酯板上來制作。發(fā)展中的3D打印技術，可以大幅提高仿生領域的研究進展，例如制造打印蛇形柔性機器人。蛇形柔性機器人可以應用在復雜地形或多層多縫隙地形的勘察工作。在高危復雜地形和場景下，如地震后坍塌樓層的搜救都可以發(fā)揮作用。

      再以昆蟲柔性機器人為例，由于蜻蜓翅膀的紋理結構復雜，因此具有優(yōu)異的飛行性能和機動性，3D打印出并模擬蜻蜓翅膀的結構，可以深入研究微小飛行器在氣動力方面的理論。此前，任職于浙江大學寧波研究院的張晟教授和他的團隊，將蜻蜓翅膀的一個重要結構作為研究對象，透過風洞實驗的可視化方法進行了研究。

      通過3D打印技術，制作了三種脈結構的仿蜻蜓翅膀：開放式節(jié)點結構、封閉式節(jié)點結構（帶限彎器）和剛性機翼。利用高速攝影機在風洞中對機翼結構的變形進行了可視化方法研究，研究節(jié)點結構機翼在滑翔飛行中的作用。通過實驗，了解了節(jié)點對機翼結構的柔度影響程度。此外，閉合的節(jié)點翼（帶限彎器）使靜脈結構具有靈活性，而不會失去關節(jié)的強度和剛度。

   “蜻蜓在自然界中被譽為飛行達人，哪怕在狂風暴雨中依舊能保持平衡，無論是滑翔還是在拍翅膀飛行中。利用3D打印的昆蟲柔性機器人，可以更好地控制飛行器在極端條件下的運行，例如大風大雨之類的極端天氣。我們通過學習和仿生蜻蜓翅膀，可以制造出更好的飛行翼，對微飛行器的發(fā)展很有幫助。”張晟教授對21世紀經(jīng)濟報道記者表示。

降低使用成本

     3D打印技術不僅被廣泛運用于各大制造業(yè)領域，其技術簡單、廉價、快速成型的優(yōu)點也深受科研人員的喜愛。原本費時費力的實驗材料，可以更便捷地通過3D技術量身打印，大幅度加快各科研領域的研究速度。

     前述柔性機器人的打印方法，不需要任何特殊設備，只需幾分鐘即可創(chuàng)建柔軟靈活的3D打印機器人。研究人員沒有將軟材料添加到剛性機器人主體中，而是從軟主體入手，在關鍵組件中添加剛性特征。這些結構靈感來自于昆蟲的骨骼，骨骼既有柔軟的部分又有剛性的部分。

   通過這項技術，只要很少的手工組裝，就可以構建大型的柔性骨架機器人，并且可以建成類似樂高的零件庫，輕松更換機器人零件。同時，3D打印技術，還將衍生出一些專門結合3D打印技術為一體的交叉型學科。

     過去， 3D打印技術也被運用于模擬皮膚方面的研究。任職于中科院上海高等研究院的曾祥瓊教授和她的團隊，設計了一種新型壓阻式皮膚傳感器，模擬人體皮膚的紋理和靈敏度。這是一種新型材料，由交聯(lián)的表面分布著碳納米管的聚二甲基硅氧烷微球（MPs）組成，并通過3D打印而成。

由這些傳感器制成的電子皮膚，其模量與人體皮膚相似；此外，它在外力作用下會發(fā)生彈性變形。通過模擬人體皮膚的接觸行為，研究了電子皮膚對剪切力的響應，發(fā)現(xiàn)觸覺傳感器對施加的剪切力敏感度高，具備響應時間短、耐久性高、靈活性強等優(yōu)點。

     前述科研行業(yè)人士表示，電子皮膚的力學性能與人體皮膚相似，因此研制的電子皮膚能夠穿戴在真實皮膚上，像皮膚一樣適應與運動有關的皮膚應變。期望3D打印柔性觸覺傳感器可以用于各種工程應用，如皮膚貼片傳感器網(wǎng)絡和植入式生物醫(yī)學設備。“在今后的工作中，我們將系統(tǒng)地研究不同微結構器件的傳感和摩擦學特性，以及器件的小型化和可擴展性設計。”

    不過，無論是自動駕駛、3D打印、還是量子計算等新興技術，仍然還在等待消費級的突破。隨著5G的發(fā)展，以及產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的打通，3D打印技術有望在更多的場景落地。