3D打印新应用：软透镜让传感器分清转弯方向

一根柔软的机器人手指弯了，怎样知道它往哪边弯？

传统来说传感器只能告诉系统光的强度变化了，但关于转弯的方向信息仍然缺乏。

未来解决这个需求，研究人员在一件Y形软结构里3D打印了一枚透镜。

结构转动时，透镜带着焦点偏向一侧，两条分支收到的光随之改变。

比较两路信号，就能判断运动方向和幅度。

这是个3D打印行业不常见的应用。

这件名为SOLen的传感器，把3D打印用到了软体机器人的感知结构设计上。

透镜与导光结构由同一种树脂打印成形，光源、接收器和电路则在打印后装配。

它验证了一种方向敏感的光学传感原理。

AM易道本文试图简单说清楚原理和应用。

用光感知形变：它怎样分清向哪边弯？

光源、接收器一、接收器二、软透镜：一条分支收到更多光。

结构转动后，透镜朝向改变，焦点移向一侧。比较两路光信号，就能辨别方向。

光往哪走：两条分支，怎样分清方向？

先把Y形结构想成一条分叉的透明通道。

光源在主干的一端，两个接收器各守一条分支。

这里的导光结构也叫波导，它让光在透明材料里传播；

接收器再把收到的光转成电信号。

如果光在里面四处散开，分支就很难分工。

外界光线、表面粗糙度和微小气泡，也可能干扰读数。

已有研究通过涂层或包覆材料限制光路，但这些做法通常增加材料界面和制造步骤。

SOLen在光源前方加入透镜，把光聚到两条分支之间。

未转动时，两边分到的光大致平衡；

透镜随结构转动后，焦点移向一条分支，那边收到更多光，另一边收到更少光。

方向由两路信号的相对变化而体现出来。

图1｜中间是打印后的Y形传感器，右上是透镜的显微照片。下方示意透镜转动后，焦点如何偏向一条分支。

图源：Cafiso等，Materials & Design，2026。

先看材料：透明、柔软，还得能够稳定3D打印

普通硬透镜可以聚光，却未必适合随软结构一起变形。

团队在丙烯酸酯聚氨酯树脂中加入质量分数25%的丙烯酸月桂酯，得到适合此次实验的改性配方。

压缩模量从0.65MPa降到0.34MPa，说明材料在压缩时更容易变形。

接下来要确认光能否穿的过去。

论文测到，改性树脂的单层试样在450至900nm波段的透过率超过85%。

这个数字只描述所测单层试样，不能直接当作整件多层打印传感器的透光效率。

图2｜左边看透过率，右边看折射率随波长的变化。这里测的是单层试样，目的是尽量减少打印层界面对材料光学参数的干扰。

图源：Cafiso等，Materials & Design，2026。

透光还不够，透镜要把光送到指定位置，就得知道材料会让光偏折多少。

这个性质用折射率描述，而且会随光的波长变化。

因此，换光源或换树脂后，透镜轮廓可能也要重算。

轮廓从哪来：3D打印把光路设计变成实体

团队先测材料，再计算透镜。

设计中，光源与透镜相距1mm，目标焦点位于透镜后方20mm的材料内部。

研究人员用笛卡尔卵形曲线确定透镜轮廓，这条曲线用于把来自光源的光折射到目标位置。

从材料参数到感知结构：测量、计算、打印、装配

1. 先测材料的光学性质

   单层试样测量透过率，再求折射率。单层试样减少层界面的干扰。

2. 按光源计算透镜轮廓

   光源、目标焦点，非等比例示意：光源距透镜1mm。目标焦点位于材料内部20mm处。

3. 透镜和导光结构一起打印

   逐层光固化DLP打印，层厚25μm。检查实体曲面与设计的偏差。

4. 装配光源与接收器

   电子元件在打印后装配。保留光源前方的空气间隙。接上电路，再验证两路响应。

他们选取860nm、500nm和450nm三个波长，对应的折射率分别为1.44、1.49和1.54，据此模拟并3D打印了三种轮廓。

显微照片与设计曲线的对照显示，三种表面形状能够区分，也存在实际3D打印与设计之间的小幅偏差。

图3｜左上比较三种透镜轮廓，右侧将显微照片与设计曲线叠放。下方两幅光路模拟显示，向相反方向转动会把光引向不同分支。

图源：Cafiso等，Materials & Design，2026。

样品采用DLP光固化3D打印，逐层投影紫外图案使树脂固化，层厚为25μm。

这个层厚描述竖直方向的分层，不能直接等同于透镜所有方向的尺寸精度。

真正需要核对的是3D打印后曲面能否接近设计轮廓，以及最终光学响应是否成立。

一体3D打印也有装配问题需要考虑。

光源与透镜之间需要保留空气间隙，作者没有用树脂填满光源前方；

接收器、导线和定制电路仍需安装。

3D打印整合了柔软的光学主体，完整传感系统还包含这些后装部件。

看实验：加上透镜，信号改变了多少

验证实验使用860nm红外光源。

旋转台让光源与透镜组件向两侧各转动3°，同时记录两路接收器的响应。三个传感器样品出现了随方向切换的信号分离，无透镜对照的变化则很小。

图4｜上方是旋转测试与两侧转动状态，下方比较有透镜和无透镜的电压响应。该电路中，收到更多光的一路反而输出更低电压，读图时不能把电压升高等同于光变强。

图源：Cafiso等，Materials & Design，2026。

灵敏度可以理解为每转动1°，输出电压改变多少。

表1给出的平均值，有透镜时为223±52mV／°，无透镜时为3.3±1.4mV／°，提升约67倍。

同一旋转测试的对照

实验范围±3°，数据见表1。分辨率不等于绝对测量误差。

这些结果来自±3°的实验范围和有限样品。

作者提到补充材料包含100次循环结果，但用户提供的正文没有完整展示这些数据，不能据此推断长期疲劳寿命。

应用往哪走：晶格的杆件，也可能承担感知

对于3D打印，最值得继续验证的应用藏在论文最后一张图里。

一件柔软晶格的部分杆件，既是支撑结构，也充当光的通道。

透镜把光引向选定路径，结构不同位置的形变，就可能通过分布在其中的光路被读出。

图5｜右上放大图展示晶格杆件内的导光路径。整张图是作者提出的一体式软机器人概念示意，论文没有展示这件晶格机器人的完整制造与感知验证。

图源：Cafiso等，Materials & Design，2026。

这为柔软夹爪、连续弯曲的机械臂或需要感知形变的晶格结构提供了设计思路。

这些我们是依据论文原理推演的潜在应用方向。

AM易道的判断是，这项研究值得增材制造从业者关注，因为传感功能可以提前融入结构设计。

设计者在安排哪些部位变形、哪些杆件承载时，也可以计算光在其中怎样传播，再用同一套3D打印过程形成这些几何特征。

不过工程上的难题会随结构增加而增加。

更长的光路会损失多少信号，不同感知路径是否串扰，反复弯曲后曲面和标定是否稳定，都需要后续证据。更换透明树脂时，也仍要重测光学参数并重新验证打印条件。

回到那根向左或向右弯曲的软手指，SOLen提供了一条值得尝试的新应用路径。

把能随形变改变光路的透镜，直接设计进3D打印结构。

它在小角度实验里已经分开了两侧信号，要想判断能否用在机器人上，下一步得看复杂形变中的光路是否仍然可读。

图6｜论文首页

AM易道判断：感知功能进入结构设计

透镜与导光结构能一起打印。晶格内分布式感知仍待验证。