哈佛大學的工程師們開發了一種全新的 3D 列印技術，能夠使軟體機器人在充氣時以可預測的方式彎曲、扭轉和改變形狀。這種方法將形狀變化的行為直接嵌入印刷結構中，從而消除了長期以來困擾軟體機器人設計的許多不確定性。軟體機器人通常由柔性和生物相容的材料製成，廣泛應用於從手術到工業處理等多個領域。然而，控制這些機器人的運動一直是個挑戰。傳統的製造方法依賴於模具、分層鑄造和表面圖案化的氣道，這使得定制變得緩慢且複雜。
這種新方法用一個單一的 3D 列印過程取代了這些步驟，創造出長而柔韌的絲線，內含精確定位的中空通道。當空氣被泵入這些通道時，結構會向特定的預編程方向彎曲。這項研究由研究生 Jackson Wilt 和前博士後研究員 Natalie Larson 在哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院的 Jennifer Lewis 實驗室領導。團隊將多種 Lewis 實驗室開發的現有列印技術結合成一個單一的製造策略，使得在不使用模具的情況下，快速進行設計變更成為可能。
這項技術的關鍵在於一個稱為旋轉多材料 3D 列印的過程，該過程使用單個噴嘴同時列印多種材料。研究人員通過在列印過程中旋轉噴嘴，能夠控制不同材料在每根絲線內部的位置。利用這種方法，團隊列印出外殼堅固的聚氨酯絲線，內部則是可移除的由類似膠狀聚合物製成的核心，這種聚合物通常用於髮品中。通過調整噴嘴的旋轉速度、流量和幾何形狀，研究人員能夠高精度地控制內部通道的取向、大小和形狀。
一旦外殼固化，內部的膠狀物質被沖洗掉，留下中空通道。這些通道在加壓時作為內建的氣動通道，驅動運動。根據通道的位置，絲線可以以可預測的方式彎曲、扭轉或收縮。Wilt 表示：「我們使用兩種材料從單一出口進行列印，可以旋轉以編程機器人在充氣時的彎曲方向。我們的目標是創造出柔軟的、生物啟發的機器人，以適應各種應用。」
為了演示這種技術，研究人員列印了一個螺旋狀的花朵樣驅動器，當充氣時會展開和捲曲。他們還創建了一個手形抓取器，具有五根手指和明確的關節，展示了如何在一次列印中實現複雜的關節運動。由於這些結構是由柔性且潛在生物相容的材料列印而成，這項技術在手術機器人、輔助設備和人機介面等領域可能會非常有用。快速定制運動的能力也可能使柔性製造工具在處理精細物品時受益。
Larson 現在是斯坦福大學的助理教授，她和 Wilt 認為這項技術提供了一種新的思路，通過將功能直接嵌入列印材料中，而不是後期再添加。這項研究的成果已發表在《Advanced Materials》期刊上。
