德國研究人員采用3D打印技術和仿生學開發(fā)無需電池驅動的機械翅膀

2025年2月12日，南極熊獲悉，受帝王蝶的結構和飛行動力學啟發(fā)，德國達姆施塔特工業(yè)大學和德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茲中心(HZDR)的研究人員開發(fā)了一種機器人翅膀。這些翅膀通過3D打印技術制造，無需電池即可運行，并配備了一個被動彎曲系統(tǒng)以產(chǎn)生高效的運動。研究人員表示，這些柔性機器人可以在環(huán)境研究、搜救行動和醫(yī)療應用等領域找到應用。

△當暴露于磁場時，3D打印蝴蝶翅膀就會飛舞

眾所周知，真實蝴蝶的翅膀不僅強度驚人，而且飛行效率極高。帝王蝶每年在墨西哥和加拿大之間進行數(shù)千英里的遷徙，展現(xiàn)了巨大的能量和機械效率，這激發(fā)了研究人員的靈感。他們利用3D打印技術復制了這些蝴蝶翅膀的結構，并將它們集成到新的機器人設備中。這些3D打印的機器人機翼是用含有微小磁性顆粒的熱塑性聚氨酯復合材料制造的，當暴露在磁場中時，機翼的拍動就會被激活。

由Oliver Gutfleisch教授和Denys Makarov博士領導的團隊制作了12個翅膀模型，這些模型采用了不同的結構復制品。其中，受帝王蝶靜脈結構啟發(fā)的設計表現(xiàn)最佳。研究人員通過有限元分析模擬和實驗，評估了這些圖案對機翼空氣動力學和機動性的影響。研究結果發(fā)表在《先進智能系統(tǒng)》期刊上，揭示了具有類似靜脈結構的設計能夠提升材料的強度和適應性，同時保持靈活性不受損害。為了實現(xiàn)這種設計的復制，團隊使用了激光粉末床熔合(L-PBF)技術進行3D打印。

△相關研究題目為“3D打印磁性蝴蝶的仿生設計、制造和翅膀變形”（傳送門）

3D打印翅膀有哪些潛在應用

這些翅膀的發(fā)展為多個領域開辟了新的可能性。在環(huán)境研究中，它可以用于監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)，并研究傳粉昆蟲種群。在搜索和救援任務中，它們輕巧且高效的設計將使探索自然災害后難以進入的區(qū)域成為可能。此外，在生物醫(yī)學領域，這項技術可應用于微創(chuàng)手術，或用于開發(fā)具有變形能力的人造肌肉和智能材料。

△利用粉末床激光熔化技術復制了帝王蝶的翅膀結構

目前，這些仿生翅膀面臨的科研難題是需要外部磁場來提供動力。研究的共同作者Muhammad Bilal Khan指出，“未來的工作可以集中在集成更多的微型磁場發(fā)生器和反饋控制，以實現(xiàn)自主運行。”研究團隊還將探索新策略，通過調整磁場的強度和方向來優(yōu)化運動控制和精確度。

這些機器翅膀的開發(fā)代表了仿生機器人技術的一大突破。同時，3D打印技術展示了在創(chuàng)建能夠模仿生物系統(tǒng)效率和適應性的功能性設備方面的巨大潛力。隨著未來技術的改進，它有望徹底改變從環(huán)境監(jiān)測到精準醫(yī)療等多個領域的應用。