洛桑聯邦理工學院3D打印仿生機器人：單一材料實現肌肉骨骼力學，可舉起4公斤物體
2025年7月25日，洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員開發了一款3D打印機器人，它能夠利用單一材料來模擬肌肉和骨骼的機械復雜性。
3D打印機器人的設計靈感來源于大象，它將柔軟靈活的部件與剛性承重結構巧妙結合，無需更換材料。這項創新研發由洛桑聯邦理工學院（EPFL）工程學院計算機器人設計與制造實驗室（CREATE）的Josie Hughes領導，旨在控制內部晶格幾何形狀，從而在單一彈性樹脂內產生多種機械行為。
在本研究中，研究人員通過一種可編程晶格設計方法，用于復制具有可調剛度和方向性的肌肉骨骼系統。團隊采用了拓撲調節和疊加編程兩種方法，實現了25至300 kPa的楊氏模量和1.38至40 kPa的剪切模量，覆蓋了從軟組織到軟骨樣剛度的剛度范圍。
基于格子的剛度編程可實現復雜的運動
為了將設計變為現實，研究人員開發了一套自定義的MATLAB腳本，用于將運動和剛度需求映射到可編程的晶格幾何結構中。設計通過OpenSCAD和Hob3l導出為STL文件，并使用Godsaid Technology的F80彈性樹脂，在Halot-Mage Pro 3D打印機上進行打印。肌腱驅動裝置采用Bowden電纜和Dynamixel伺服電機實現，同樣通過MATLAB進行控制。
在裝置中，拓撲規則被用來構建機器人的軀干。該方法通過混合體心立方（bcc）和XCube兩種晶格類型來連續調整剛度，從而使軀干被分成三個部分，分別進行彎曲、扭轉和螺旋運動，所有這些運動都由四個電機驅動。一個稱為拓撲指數的參數控制著軟區和硬區之間的過渡，使得尖端能夠利用細小的薄細胞進行精細的抓取，而底部則提供結構支撐。3D打印軀干重量僅為150克，卻能舉起高達500克的重物，并處理直徑從0.1毫米到100毫米的物體。
疊加編程被用來創建機器人腿部的剛性關節結構。這種方法將具有不同方向和平移的單元組合在一起，以產生離散的定向剛度。腿部在髖部和膝部設有主動關節，并在踝部設有被動關節，可根據地面接觸進行調節。髖關節由兩個電機和四條肌腱控制，可進行屈曲、伸展、外展和內收運動，而膝關節則使用單個電機。腿部可承受高達4公斤的重量，超過機器人3.89公斤的體重，并能以7.5毫米/秒的速度行走，步長約為150毫米。
3D打印在機械智能機器人設計中的應用
該機器人演示了向前和橫向的步態，并在三足站立時保持平衡。腳部設計為前部具有較硬的格子區域，用于承重，而靠近腳跟的區域則具有較軟的區域，以便貼合地面。開放式格子設計減輕了整體重量，使機器人無需改裝即可在水中運行。
機械測試證實了梁厚度、單元類型和排列方式的變化如何影響剛度和各向異性。主干扭轉段的旋轉角度高達78.1°，而彎曲模塊的旋轉范圍與均勻結構相比增加了30%。使用這些設計方法生成了超過一百萬種獨特的晶格結構，通過擴展底層幾何變化，晶格結構的數量可以超過7500萬種。
總的來說，這項研究提供了一種可擴展的方法，將機械智能直接嵌入機器人結構。未來的版本可能會集成傳感器、流體或其它組件，從而擴展到軟體機器人、假肢和輕量化系統。
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