洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院3D打印仿生機(jī)器人：單一材料實現(xiàn)肌肉骨骼力學(xué)，可舉起4公斤物體

2025年7月25日，南極熊獲悉，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員開發(fā)了一款3D打印機(jī)器人，它能夠利用單一材料來模擬肌肉和骨骼的機(jī)械復(fù)雜性。

△晶格肌肉骨骼機(jī)器人的概念

3D打印機(jī)器人的設(shè)計靈感來源于大象，它將柔軟靈活的部件與剛性承重結(jié)構(gòu)巧妙結(jié)合，無需更換材料。這項創(chuàng)新研發(fā)由洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）工程學(xué)院計算機(jī)器人設(shè)計與制造實驗室（CREATE）的Josie Hughes領(lǐng)導(dǎo)，旨在控制內(nèi)部晶格幾何形狀，從而在單一彈性樹脂內(nèi)產(chǎn)生多種機(jī)械行為。

△相關(guān)研究成果已發(fā)表在《Science Advances》期刊上，題目為“晶格結(jié)構(gòu)肌肉骨骼機(jī)器人：利用可編程幾何拓?fù)浜透飨虍愋浴保▊魉烷T）

在本研究中，研究人員通過一種可編程晶格設(shè)計方法，用于復(fù)制具有可調(diào)剛度和方向性的肌肉骨骼系統(tǒng)。團(tuán)隊采用了拓?fù)湔{(diào)節(jié)和疊加編程兩種方法，實現(xiàn)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。

△通過不同形式的拓?fù)渚幊炭蓪崿F(xiàn)的機(jī)械性能范圍

基于格子的剛度編程可實現(xiàn)復(fù)雜的運動

為了將設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實，研究人員開發(fā)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(jié)構(gòu)中。設(shè)計通過OpenSCAD和Hob3l導(dǎo)出為STL文件，并使用Godsaid Technology的F80彈性樹脂，在Halot-Mage Pro 3D打印機(jī)上進(jìn)行打印。肌腱驅(qū)動裝置采用Bowden電纜和Dynamixel伺服電機(jī)實現(xiàn)，同樣通過MATLAB進(jìn)行控制。

在裝置中，拓?fù)湟?guī)則被用來構(gòu)建機(jī)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(xù)調(diào)整剛度，從而使軀干被分成三個部分，分別進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)和螺旋運動，所有這些運動都由四個電機(jī)驅(qū)動。一個稱為拓?fù)渲笖?shù)的參數(shù)控制著軟區(qū)和硬區(qū)之間的過渡，使得尖端能夠利用細(xì)小的薄細(xì)胞進(jìn)行精細(xì)的抓取，而底部則提供結(jié)構(gòu)支撐。3D打印軀干重量僅為150克，卻能舉起高達(dá)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(chuàng)建機(jī)器人腿部的剛性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。這種方法將具有不同方向和平移的單元組合在一起，以產(chǎn)生離散的定向剛度。腿部在髖部和膝部設(shè)有主動關(guān)節(jié)，并在踝部設(shè)有被動關(guān)節(jié)，可根據(jù)地面接觸進(jìn)行調(diào)節(jié)。髖關(guān)節(jié)由兩個電機(jī)和四條肌腱控制，可進(jìn)行屈曲、伸展、外展和內(nèi)收運動，而膝關(guān)節(jié)則使用單個電機(jī)。腿部可承受高達(dá)4公斤的重量，超過機(jī)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。

△大象機(jī)器人的設(shè)計

3D打印在機(jī)械智能機(jī)器人設(shè)計中的應(yīng)用

該機(jī)器人演示了向前和橫向的步態(tài)，并在三足站立時保持平衡。腳部設(shè)計為前部具有較硬的格子區(qū)域，用于承重，而靠近腳跟的區(qū)域則具有較軟的區(qū)域，以便貼合地面。開放式格子設(shè)計減輕了整體重量，使機(jī)器人無需改裝即可在水中運行。

機(jī)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(zhuǎn)段的旋轉(zhuǎn)角度高達(dá)78.1°，而彎曲模塊的旋轉(zhuǎn)范圍與均勻結(jié)構(gòu)相比增加了30%。使用這些設(shè)計方法生成了超過一百萬種獨特的晶格結(jié)構(gòu)，通過擴(kuò)展底層幾何變化，晶格結(jié)構(gòu)的數(shù)量可以超過7500萬種。

總的來說，這項研究提供了一種可擴(kuò)展的方法，將機(jī)械智能直接嵌入機(jī)器人結(jié)構(gòu)。未來的版本可能會集成傳感器、流體或其它組件，從而擴(kuò)展到軟體機(jī)器人、假肢和輕量化系統(tǒng)。