據悉，一只帶韌帶和肌腱的骨骼機械手現在可以通過一次3D打印完成 —— 這是通過一種新的增材制造方法實現的，這種方法可以同時以高分辨率打印剛性和彈性材料。

這項新工作是瑞士蘇黎世聯邦理工學院的研究人員與馬薩諸塞州梅德福市麻省理工學院一家名為Inkbit的子公司合作的結果。該小組設計了一種新的3D噴墨打印技術，能夠使用比以前更廣泛的材料。

在《自然》雜志的一篇新論文（https://www.nature.com/articles/s41586-023-06684-3）中，該小組首次表明，該技術可以用于在一次打印作業中打印由多種材料制成的復雜移動設備。其中包括一只仿生機械手、一個帶抓取器的六條腿機器人和一個模仿心臟的泵。

蘇黎世聯邦理工學院的博士生、描述這項工作的論文的第一作者Thomas Buchner說：“對我們來說，真正令人興奮的是，這項技術首次使我們能夠在打印床上打印出完整的功能系統。”

這項新技術的原理與你在辦公室里使用的那種噴墨打印機相似。不過，打印機噴出的不是彩色墨水，而是暴露在紫外線下會變硬的樹脂，所以它不僅僅打印一張紙，而是一層一層地構建3D對象。它還能夠以極高的分辨率打印，體素（相當于像素的3D）只有幾微米寬。

3D Printed Robot Hand Has Working Tendons，YOUTU.BE

3D噴墨打印機并不是什么新鮮事，但它們可以使用的材料通常是有限的。這是因為每一層都不可避免地有缺陷，而處理這一問題的標準方法是將它們刮掉或壓平。這意味著不能使用柔軟或緩慢固化的材料，因為它們會被弄臟或壓扁變形。

Inkbit多年來一直致力于解決這個問題。該公司制造了一臺打印機，該打印機具有在多個噴墨單元、紫外線固化單元和掃描單元下方上下移動的平臺。在沉積并固化層之后，掃描儀創建打印表面的深度圖，然后將其與3D模型進行比較，以確定如何調整噴墨單元的沉積速率，以消除任何不規則性。上一層樹脂過多的區域在下一層樹脂過少，反之亦然。

領導這項研究的蘇黎世聯邦理工學院機器人學教授Robert Katzschmann表示，這意味著一旦材料沉積，打印機就不需要與材料接觸。“這帶來了各種好處，因為現在你可以使用聚合時間更長、硬化時間更長的化學物質，這為更有用的材料開辟了一個全新的空間。”

“We can actually now create a structure or a robot in one shot. It might require maybe adding a motor here or there, but the actual complexity of the structure is all there.”
—ROBERT KATZSCHMANN, ETH ZURICH

此前，Inkbit一直在使用一種掃描方法，一次只能捕獲2厘米寬的區域的圖像。在將所有圖像拼接在一起并進行分析之前，必須多次重復該過程，這大大縮短了制造時間。這項新技術使用了一種更快的激光掃描系統，該設備現在的打印速度是以前的660倍。此外，該團隊現在已經證明，他們可以使用稱為硫醇烯的彈性聚合物進行打印。這些材料固化緩慢，但它們比丙烯酸酯（通常用于商業3D噴墨打印機的橡膠狀材料）更有彈性，更耐用。

為了展示新的3D打印工藝的潛力，研究人員打印了一只機械手。該設備的特點是以人手的MRI掃描為模型的剛性骨骼和彈性肌腱，這些肌腱可以連接到伺服系統，使手指向手掌彎曲。每個指尖都有一層薄膜，薄膜后面有一個小空腔，與印在手指結構中的長管相連。當手指接觸到東西時，空腔被壓縮，導致管道內的壓力上升。這是由管子末端的壓力傳感器檢測到的，該信號用于告訴手指在達到一定壓力后停止卷曲。

研究人員用手抓握各種物體，包括鋼筆和水瓶，并用拇指觸摸指尖。至關重要的是，除了伺服系統和壓力傳感器外，機械手的所有功能部件都是在一次打印作業中生產的。Katzschmann說：“我們認為我們的工作很新穎，因為我們現在可以一次創建一個結構或機器人。整個過程可能需要在這里或那里添加一個電機，但結構的實際復雜性就在那里。”

研究人員還創造了一個氣動六條腿機器人，它有一個可以來回行走并拿起一盒Tic-Tacs的夾具，還有一個模仿人類心臟的泵，具有單向閥和內部壓力傳感器，能夠每分鐘泵送2.3升液體。

Katzschmann說，未來的工作將著眼于進一步擴大打印機可以使用的材料的數量。目前，它們僅限于可以使用紫外線固化的材料，并且粘性不太大，無法在噴墨打印機中工作。但這些可能擴展至包括硬環氧樹脂、適用于組織工程的水凝膠，甚至可以將電子電路打印到設備中的導電聚合物。

審核編輯：彭菁