开源又平价的3D打印材料合成系统！一文玩转自动化液体混合方案

家用3D打印机制造的开源机器人替代百万级别的商业自动化学合成设备！

在科研资源分配不均的今天，北海道大学研究团队开创的FLUID（Flowing Liquid Utilizing Interactive Device）系统给许多预算有限的材料合成实验室提供了平价（开源）「机器人」方案。

这套精确操控液体流动、实现复杂化学反应自动化的系统，核心部件全部通过普通3D打印机制造，让自动化合成也可以很平价。

当高精度步进电机控制注射器柱塞的每一微米移动，当伺服电机精确切换三通阀门的不同流向，材料合成过程中最繁琐、最易出错的液体操作被完美自动化，实现毫秒级精度和可靠的重复性。

最近发表在《ACS Applied Engineering Materials》上的这项研究提供了硬件图纸和软件蓝图。

FLUID系统的诞生，有望让材料科学进入自造时代：当精确控制液体流动的控制能力从商业巨头回归到每个研究者手中，我们或将见证自动化材料发现的指数级加速。

文末有文章信息以及开源文件获取方法。

为什么我们需要FLUID：商业机器人的高墙

商业可用的化学与材料设计机器人，如Chemspeed、Opentrons OT-2和KUKA LBR iiwa，往往需要投入大量预算，在财务上限制了可及性。

定制化选项也通常仅限于供应商提供的内容，同时还会增加已经很高的成本。

这些现实障碍使得自动化技术仍然是少数预算充足实验室的专利，而非科研民主化的工具。

如Figure 1所示，FLUID的整体功能流程图清晰展示了这个系统如何工作。

左侧的部分展示了系统的垂直结构，包括由步进电机驱动的注射器机构；

右侧则展示了阀门控制系统，显示了0°、90°和180°三个不同位置如何控制液体流向。

这种直观设计使研究人员能够轻松理解系统的工作原理，而无需深入了解复杂的机械细节。

认识FLUID：一场开源的实验室革命

FLUID项目的核心理念是创建一个全面的开源框架，既包括硬件也包括软件，使得自动化在材料科学中的应用变得更加普及和可定制。

这个名为「Flowing Liquid Utilizing Interactive Device」（利用交互式设备控制流动液体）的系统，正如其名称所暗示的那样，专注于精确控制液体在材料合成过程中的移动、混合和反应。

Figure 2展示了FLUID所有不同的3D打印部件，这些部件构成了系统的物理框架。

从图中可以看到各种精心设计的连接件、支架和功能部件，它们一起构成了一个灵活且可扩展的系统。

这些部件被设计成可以在普通3D打印机上轻松制造，使研究人员能够根据自己的需求定制和修改。

再细看，通过查看FLUID的物理构成（如下图所示）：

我们可以看到该系统主要由3D打印部件、步进电机、伺服电机、注射器装置和控制电路组成，形成了一个功能完整的液体操作系统。

FLUID的概念与灵感

Figure 3展示了FLUID控制单元的电路板和原理图，这是系统的大脑部分。

图中详细显示了Arduino Mega主板、CNC Shield V3扩展板以及用于连接各种外设的接口布局。

这种模块化的电子设计使系统能够轻松扩展和适应不同的实验需求。

从零开始：创建你自己的FLUID

准备工作：工具与材料

要构建FLUID，首先需要准备基本工具。

根据下图所示，你需要螺丝刀套装、钳子、金属锯、电钻、热风枪、双面胶带、超级胶水、剪刀和万用表等基本工具。

以及一个拓竹3D打印机。

软件方面，如下图所示，则需要Blender 4（用于创建和编辑3D文件）、Arduino IDE（用于编写和上传固件）、Bambu Lab Studio（用于3D打印）和Visual Studio（用于编写交互式机器人控制软件）。

构建框架：机器人的骨架

FLUID的框架主要使用铝型材（约27.5 x 27.5 mm）构建，需要角连接件、滑块螺母和螺栓等配件。

机械框架部分使用了易于获取的铝型材和连接件，这种设计允许研究人员根据需要轻松调整系统的尺寸和配置。

框架包括三根水平杆（约750mm长），安装在两根垂直杆（约500mm）上，每根垂直杆都有一个支撑型材用于站立。

通过这种模块化设计，研究人员可以根据需要轻松调整框架尺寸，适应不同大小的注射器或添加更多功能模块。

3D打印部件：定制化的核心

Figure 4显示了所有为FLUID开发的3D打印部件，包括支撑结构、连接件和功能部件。

每个部件都经过精心设计，使它们可以在标准3D打印机上用普通PLA材料打印出来。

这些部件包括杆夹、步进电机支架、限位传感器支架等核心组件，它们共同构成了机器人的结构框架。

如补充图片所示，这些3D打印文件可以使用Bambu Lab Studio或类似软件处理，以标准的0.2mm层高和0.4mm喷嘴设置进行打印。

注射器模块：FLUID的核心

每个注射器模块是FLUID的核心功能单元，由一个步进电机控制的注射器柱塞和两个伺服电机控制的阀门组成。

这种设计允许精确控制液体的吸入和排出。

Figure 5展示了注射器系统的多角度视图：(a)从底部看上去的视图，(b)从顶部俯视的视图，(c)伺服电机部分的特写，以及(d)注射器系统的控制单元。

这些不同视角帮助研究人员理解系统的组装方式和各组件之间的空间关系。

值得注意的是，FLUID支持不同容量的注射器（60ml或10ml），使其适用于各种实验需求。

这种灵活性是商业系统难以匹敌的优势之一。

控制系统：赋予FLUID大脑

控制系统是基于Arduino Mega开发板，配合CNC Shield v3和A4988驱动器用于步进电机控制，以及PCA9685 16通道PWM驱动器用于伺服电机控制。

这套系统允许研究者通过串口通信精确控制液体的移动、阀门的开关以及整个实验流程。

如下图所示，这些电子元件组合在一起形成了一个强大的控制系统，能够处理精确的液体操作任务。

下图展示了如何进行初步测试，确保所有组件正常工作。

下图所展示的，可以看到，FLUID的电路设计相对简单，即使对电子学初学者也相对容易理解和复制。

让FLUID活起来：软件与固件

FLUID的控制软件分为两部分：运行在Arduino上的固件和运行在PC上的图形用户界面。

固件负责直接控制硬件，响应来自PC的命令；而用户界面则提供友好的操作环境，允许研究者通过视觉化界面控制机器人。

从下图可以看到，FLUID软件界面设计简洁明了，包括注射器控制、手动控制和宏命令管理等功能，使研究者能够轻松执行复杂的液体操作任务。

实战应用：FLUID如何合成材料

为了验证FLUID的实际性能，研究团队使用它进行了钴-镍双金属材料的共沉淀合成。

Figure 6展示了使用FLUID进行Co和Ni与NaOH共沉淀的过程，用于合成Ni-Co氧化物。

图中清晰地展示了实验的四个阶段：(a)机器人运行前的准备状态，(b)释放Ni(NO3)2溶液，(c)释放Co(NO3)2溶液，以及(d)添加NaOH溶液。

这个过程完美地展示了FLUID在实际材料合成中的应用能力。

在合成过程中，FLUID以4mL/s的速率将15mL的Ni和Co溶液依次转移到装有50mL水和搅拌棒的烧杯中。

随后，7.5mL的NaOH溶液以3.6滴/秒的速率滴加入混合物中。

随着NaOH溶液与其他化合物混合，反应混合物逐渐变蓝。

合成后，产物被过滤并在80°C下干燥过夜，然后在研钵中研磨并在800°C下煅烧3小时。

最终的共沉淀Ni-Co氧化物（NiO和CoO）材料以粉末形式获得，并使用X射线衍射仪和扫描电子显微镜进行了分析，如下图Figure 7所示。

Figure 7展示了使用FLUID制备的Ni-Co氧化物样品的分析结果，包括(a)元素映射，(b)EDS光谱，以及(c)与参考CoO和NiO值对比的衍射模式。

这些结果证明了FLUID能够成功执行合成工艺，产生高质量的材料样品。

这个案例完美展示了FLUID在材料合成中的实用性和精确性，特别是对于需要精确控制试剂添加速率和顺序的实验。

FLUID性能：实际使用过程的迭代过程

FLUID组装的过程按照研究团队分享相当顺利，仅遇到几个小问题。

一个显著问题是使用光学传感器代替机械传感器，前者证明不太可靠，需要额外校准。

如下图所示，两种类型的传感器都可以使用，但研究团队建议使用机械传感器以提高可靠性。

另一个问题涉及一个注射器柱塞，其中一个错位的螺纹杆偶尔会导致阻力。重新对齐杆并给移动部件涂抹润滑脂有效解决了这个问题。

在液体处理方面，也出现了一些常见挑战。

其中包括管道中的空气，特别是在将液体吸入注射器的过程中。

这通过实施一个宏来解决，该宏在吸入液体和排出少量液体（连同被困空气）之间交替，确保注射器和管道完全充满液体。

从下图可以看到，完成组装的FLUID系统整洁有序，所有组件都协调工作，为实验室提供了一个可靠的自动化平台。

开源与未来：FLUID之后的道路

对FLUID的未来发展，研究团队指出，通过增加额外组件如温度控制和pH检测，可以实现在更复杂条件下合成材料的能力。

该系统的灵活性允许处理从聚合物混合到有机合成的各种反应。

AM易道认为，FLUID项目的真正价值不仅在于它是一台功能强大的自动化机器，更在于它作为一个开源平台的潜力。

通过开放硬件和软件设计，FLUID鼓励全球研究社区共同改进和扩展这个系统，这种协作方式可能导致更快的创新和更广泛的应用。

考虑高通量合成应用时，虽然样品自动创建，但后处理和表征方面仍然手动进行，这对完全自动化系统的发展造成障碍。

这还需要在开源后通过更多的用户去共同迭代。

AM易道结语

本文类似项目的出现恰逢材料合成自动化与人工智能交汇的历史节点。

当我们审视当代科学发现的全景时，不难发现一个引人深思的趋势：

AI算法已能从海量数据中预测出数以万计的潜在新材料，但验证这些预测所需的合成实验却成为瓶颈。

这种计算与实验不平衡的困境，正是这类3D打印开源自动化系统试图解决的核心问题。

AM易道认为，FLUID不仅仅是一个液体处理（化学合成）机器人，它代表了一种新的科研哲学。

当我们能够理解、修改甚至重新创造我们的研究工具时，并且这个工具还能结合AI的预测和筛选自动执行实验方案时：

科学探索的边界会被重新定义。

参考文章信息

https://doi.org/10.1021/acsaenm.5c00084

开源项目链接

研究团队已将各类设计文件上传：

3D打印文件：https://github.com/Materials-Informatics-Group/Robot_FLUID_3D-Parts

软件GUI:https://github.com/Materials-Informatics-Group/Robot_Fluid_GUI

Firmware:https://github.com/Materials-Informatics-Group/Robot_Fluid_Firmware