單材料3D打印革命性技術(shù)！EPFL 開源晶格編程技術(shù)實現(xiàn)仿生機器人全結(jié)構(gòu)一體化 3D 打印

南極熊導讀：通常情況，一種材料只能打印一種力學性能的零件，要想實現(xiàn)不同力學性能零件的組合，需要用到不同的材料。

傳統(tǒng)的軟硬機器人制造，一直受困于多材料界面易失效、工藝繁雜等難題。而 EPFL 的 CREATE 實驗室提出了 “結(jié)構(gòu)定義功能” 的全新范式，僅僅使用一種光敏樹脂（Creality F80），就通過微觀晶格拓撲調(diào)控，實現(xiàn)了從軟組織（25 kPa）到類骨結(jié)構(gòu)（50 MPa）的連續(xù)力學梯度，這無疑是機器人制造領(lǐng)域的一次重大突破。



一、核心原理：幾何編程顛覆多材料依賴

1. 拓撲調(diào)控（TR）—— 連續(xù)漸變的關(guān)鍵

拓撲調(diào)控是實現(xiàn)材料力學性能連續(xù)漸變的核心所在。其基礎(chǔ)單元由體心立方（BCC，各向同性）與 XCube（高度各向異性）構(gòu)成，二者分別處于性能光譜的兩端。為了實現(xiàn)連續(xù)漸變，研究引入了拓撲指數(shù)（ ），通過 TI 從 0 到 1 的連續(xù)變化，來調(diào)節(jié) BCC 與 XCube 的混合比例。
這種空間編程的應(yīng)用十分巧妙，以象鼻為例，根部的 TI=1，使其具備軸向剛性承重的能力；而尖端的 TI=0，則保證了柔性彎曲和纏繞操作，在 322.5mm 的長度內(nèi)實現(xiàn)了剛度的無級過渡。并且，這種梯度設(shè)計帶來了顯著的性能增益，彎曲模塊的角度提升了 30%（達到 69.6°），扭轉(zhuǎn)模塊角度更是達到了 78.1°。

2. 疊加編程（SP）—— 各向異性強化術(shù)

疊加編程是增強材料各向異性的重要技術(shù)。其中，方向控制（DSP）通過旋轉(zhuǎn)晶格單元方向（DI=0~3），能夠使特定方向的剛度提升 10000 倍；平移疊加（TSP）則通過位移單元增強連接性，讓剛度提升 3~8 倍。

更令人驚嘆的是，四重疊加可以生成 400 萬種構(gòu)型，五重疊加更是突破了 7500 萬種，為材料性能的多樣化提供了巨大可能。

技術(shù)維度	控制參數(shù)	性能范圍	仿生對應(yīng)
TR	拓撲指數(shù)（TI）	剛度 25–300 kPa	脂肪→肌腱漸變
SP	方向 / 平移指數(shù)	各向異性比達 10000:1	骨骼定向承重

二、制造全流程：開源工具鏈 + 關(guān)鍵工藝參數(shù)

1. 設(shè)計到打印的開源生態(tài)

在設(shè)計到打印的流程中，形成了完善的開源生態(tài)。通過 MATLAB/Python 進行參數(shù)化生成，定義 TI 場與 SP 域，優(yōu)化關(guān)節(jié)彎曲角度等力學行為；再利用 OpenSCAD 自動建模，將晶格參數(shù)轉(zhuǎn)換為 3D 模型，支持錐形漸變等復雜幾何；最后通過 Hob3l 導出 STL 文件，該開源工具輸出的可打印文件兼容主流切片軟件。

2. 打印工藝與防失敗方案

打印所使用的設(shè)備為 Halot-Mage Pro 光固化打印機（層厚 0.05mm），材料是 F80 彈性樹脂（RESIONE），單次成型無需后處理。在防融合方面，關(guān)鍵在于 SP 結(jié)構(gòu)梁厚≤0.5 mm (單元尺寸 5mm)，以此避免單元疊加粘連。

3. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化經(jīng)典案例

象鼻的設(shè)計采用半徑 48→24 mm 漸變，梁厚 1.3→0.5 mm 漸變，同時不同功能區(qū)的徑向拓撲分布沿軸向連續(xù)變化實現(xiàn)了根部承重與尖端柔韌的結(jié)合。關(guān)節(jié)方面，髖關(guān)節(jié)采用四重 SP 晶格（剛度↑300%），韌帶用雙重 SP 晶格實現(xiàn)高拉伸比。

三、性能實證：仿生大象機器人的 3D 打印里程碑

1. 柔性象鼻（TR 技術(shù)主導）

柔性象鼻具備出色的運動能力，可實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)（78.1°）、彎曲（69.6°）、螺旋纏繞等動作。在功能極限上，它能抓取直徑 0.1 mm~100 mm 的物體（從薄膜到圓柱體），負載可達 500 g（超自重 3 倍），還能精準取花而不損傷花瓣（視頻 S1）。



2. 剛性腿部（SP 技術(shù)主導）

剛性腿部的關(guān)節(jié)性能優(yōu)異，平面關(guān)節(jié)可滑動 30 mm（模擬足骨），單軸關(guān)節(jié)可彎曲 ±50°（模擬膝關(guān)節(jié)），雙軸關(guān)節(jié)可全向彎曲 40°（模擬趾關(guān)節(jié)）。在承載能力上，自重 3.89 kg 的情況下，額外負載 4 kg 仍能三足穩(wěn)定站立。



3. 系統(tǒng)集成優(yōu)勢

該系統(tǒng)集成具有諸多優(yōu)勢，晶格結(jié)構(gòu)輕量化，減重 70%，適合無人機 / 航天部件；開放結(jié)構(gòu)降低水流阻力，支持水下探測機器人；晶格內(nèi)腔還可預埋驅(qū)動管與傳感器通道（圖 2），便于智能擴展。



四、行業(yè)價值與未來演進

1. 當前突破性意義

這項技術(shù)當前具有突破性的意義，它簡化了制造過程，用單材料取代多材料拼接，消除了界面失效風險；性能覆蓋范圍廣，25–300 kPa 剛度范圍匹配生物軟組織需求，1-50MPa 匹配生物較硬的結(jié)締組織；而且 MATLAB/OpenSCAD/Hob3l 工具鏈全開源，降低了研發(fā)門檻。

2. 局限與應(yīng)對策略

不過，該技術(shù)也存在一定局限，目前剛度上限 50MPa 低于真實骨骼（GPa 級），解決方案是引入金屬 / PLA 晶格編程（論文已預告）；同時設(shè)計復雜度較高，需要結(jié)合 FEA 與機器學習優(yōu)化拓撲場。

3. 應(yīng)用場景拓展

在應(yīng)用場景方面，未來可拓展至醫(yī)療領(lǐng)域，如植入式血管機器人（晶格內(nèi)腔集成藥物緩釋單元）；航天領(lǐng)域，如輕量化空間機械臂（減重 70%+ 抗振動結(jié)構(gòu)）；以及水下探測領(lǐng)域，如流體自適應(yīng)機器人（開放結(jié)構(gòu)降低阻力）。

五、為 3D 打印社區(qū)提供的核心資源

1. 開源工具鏈

包括 MATLAB/Python 腳本生成 TI場/SP 域、OpenSCAD 自動建模、Hob3l 輸出 STL3。

2. 工藝兼容性

根據(jù)作者測試該設(shè)計方法不僅兼容普通的樹脂光固化技術(shù)還能兼容其他粉末燒結(jié)，噴墨粘結(jié)，甚至FDM等3D打印技術(shù)。


3. 設(shè)計庫擴展

支持 Kelvin/Octahedron 等多種晶格接入 TR/SP 系統(tǒng)，可利用遺傳算法或多目標優(yōu)化調(diào)節(jié)剛度分布。

突破點	實現(xiàn)效果	工業(yè)價值
單材料剛度編程	25 kPa~50MPa 連續(xù)漸變	在多數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用場景替代多材料打印機，與多材料打印結(jié)合更能夠極大拓展 3D 打印技術(shù)的能力邊界。
晶格各向異性控制	方向剛度差異達 10000 倍	定制承重結(jié)構(gòu)
開源制造工具鏈	MATLAB/OpenSCAD/Hob3l 全流程開源	社區(qū)協(xié)作開發(fā)基礎(chǔ)

論文及資源：

Guan et al., Sci. Adv. 11, eadu9856 (2025)
補充材料：STL 生成腳本、打印參數(shù)表、運動控制代碼（MATLAB SDK）
這項技術(shù)標志著機器人制造從單純 “材料決定功能” 轉(zhuǎn)向結(jié)合 “結(jié)構(gòu)定義性能”，為輕量化、高適應(yīng)性機器人提供了可擴展的制造范式。其開源生態(tài)將加速仿生機器人在醫(yī)療、航天及水下探測領(lǐng)域的應(yīng)用落地。