来自哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的研究人员，近期将一项新兴的3D打印技术推向了新的高度。增材制造在机器人领域正变得越来越受欢迎，因为它能够设计出灵活、定制化且更高效的设备。

这项名为旋转多材料3D打印（RM-3DP）的技术，能够制造出具有可预测、可编程运动的软体机器人，并将运动指令直接编码在材料之中。随着新材料与更广泛的3D打印工艺兼容，可能性不断扩展，使得制造柔性甚至生物兼容的机器人成为可能。

该技术最初由詹妮弗·刘易斯教授及其哈佛大学刘易斯实验室开发。如今，研究生杰克逊·威尔特和前博士后研究员娜塔莉·拉尔森利用该技术制造出了原型机。

该团队开发了一种多材料旋转3D打印工艺，使他们能够通过单个喷嘴沿着精确路径沉积多种材料。喷嘴在挤出凝胶状材料的同时进行旋转，这种运动不仅实现了快速材料切换，还能制造出从简单到高度复杂的形状。

通过向内部预置的通道注入空气，这些原型可以实现扭转、弯曲或卷曲的动作。首先，团队设计了一个由泊洛沙姆构成的内部通道——这是一种常用于发胶的聚合物。通过调整3D打印机喷嘴、其旋转速度以及材料流速，他们能够精确控制每个通道的形状、大小和方向。接着，该结构被涂覆上一层聚氨酯膜。一旦固化，研究人员移除了内部的泊洛沙姆芯材。其结果是一个中空外壳，可以通过加压弯曲成不同形状，这构成了一个软体机器人设备的基础，能够收缩、抓取物体甚至扩展。

这项发表于《先进材料》的研究，致力于解决柔性打印软体机器人实现精确、可预测行为这一核心挑战。它利用RM-3DP的旋转喷头技术，同时打印由两种材料构成的丝材。外部的聚氨酯外壳将结构固化为柔性外罩，而用于内部通道的聚合物凝胶则贯穿于中空通道中，并可在打印后被冲洗掉。

这些通道的作用方式类似于人体内可编程的肌肉：空气或流体压力使结构以预定方式变形。喷头的旋转与材料流速的结合，使得精确控制内部通道的走向、形状和尺寸成为可能，从而实现了上述功能。

“我们使用单个出口挤出两种材料，通过旋转可以编程控制机器人在充气时弯曲的方向，”威尔特表示。“我们的目标与创造用于各种应用的、受生物启发的软体机器人保持一致。”

作为研究的一部分，团队打印了两个演示件：一个是花形的螺旋致动器，充气时会展开；另一个是五指手形夹爪，可以抓握物体。两者都是通过单次连续的3D打印路径完成的，无需单独组装，这正是RM-3DP的特点。

“在这项工作中，我们没有使用模具。我们打印结构，快速对其进行编程，并且能够快速定制驱动行为，”拉尔森解释道。这一多材料打印方法消除了制造模具的需求。无需浇注柔性材料、在模具表面绘制气动通道并将其封装在附加层中，该工艺直接产出一个即可使用和编程的结构。RM-3DP克服了缓慢的多步骤模塑和浇铸工艺，允许通过快速调整打印参数来修改设计，而不是像传统方式那样重新制造物理模具。

因此，机器人可以快速部署并针对特定应用进行定制。这项研究的应用被认为在外科机器人、可穿戴辅助设备、脆弱部件处理以及更广泛的医疗保健和工业用途方面具有巨大潜力。