科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種3D打印的可編程晶格結(jié)構(gòu)，能夠使用單一泡沫材料打印出多種生物組織，從柔軟的肌肉到堅(jiān)硬的骨骼均可實(shí)現(xiàn)。這一成果發(fā)表在最新一期《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，為仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)開辟了全新路徑。

自然界中，動(dòng)物的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)依賴于軟硬組織的協(xié)同作用。例如獵豹的高速奔跑、蛇的靈活爬行，以及人類手部的精細(xì)抓握，都離不開肌肉、肌腱、韌帶與骨骼之間的無縫配合。這些組織共同提供了運(yùn)動(dòng)所需的能量、精確度和活動(dòng)范圍。然而，在機(jī)器人領(lǐng)域復(fù)制這種生物組織的多樣性一直是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。

目前，多材料3D打印技術(shù)雖然能夠在一定程度上模擬生物組織的多樣性，但這種方法在控制剛度和承重能力方面存在局限，難以在整個(gè)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)控。此次開發(fā)的新型可編程晶格結(jié)構(gòu)，成功將生物組織的多樣性與機(jī)器人的精確控制相結(jié)合。

該晶格由一種簡(jiǎn)單的泡沫材料構(gòu)成，其基本單元可以被編程為多種形狀和位置。每個(gè)單元擁有超過100萬(wàn)種可能的配置，并且可以組合使用，從而產(chǎn)生幾乎無限的幾何變化。團(tuán)隊(duì)利用這種技術(shù)，制造了一個(gè)仿生大象機(jī)器人。它擁有柔軟可扭曲的軀干，以及更加堅(jiān)硬的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和足部結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出高度的靈活性與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

晶格結(jié)構(gòu)的核心在于兩種主要單元類型：體心立方單元和X-cube單元。當(dāng)它們被用于3D打印“機(jī)器人組織”時(shí)，可以分別呈現(xiàn)出不同的剛度、變形能力和承重特性，并支持無限種組合方式。例如，一個(gè)由4個(gè)疊加單元組成的晶格立方體可產(chǎn)生約400萬(wàn)種配置，而5個(gè)單元?jiǎng)t可產(chǎn)生超過7500萬(wàn)種配置。

這種能力特別適用于模仿象鼻等肌肉器官的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在大象機(jī)器人模型中，這種雙重編程功能使得大象軀干的復(fù)雜動(dòng)作得以再現(xiàn)，同時(shí)還可保持各部分之間的平滑過渡。

這為未來機(jī)器人研究提供了廣闊空間。晶格結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的強(qiáng)度—重量比，類似于蜂窩結(jié)構(gòu)，能夠制造出輕便高效的機(jī)器人。其開放式泡沫設(shè)計(jì)也適合在流體環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，賦予結(jié)構(gòu)更多智能化功能。

總編輯圈點(diǎn)

在自然界中，許多生物通過巧妙結(jié)合剛性結(jié)構(gòu)和柔性組織，實(shí)現(xiàn)了高效的運(yùn)動(dòng)、適應(yīng)性和生存能力。這些生物策略為仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了啟發(fā)。然而，傳統(tǒng)機(jī)器人受限于材料剛性和驅(qū)動(dòng)方式，難以模擬自然生物“剛?cè)岵?jì)”的特性。這就是為什么，我們?cè)诤芏鄨?chǎng)景見到的機(jī)器人都是硬邦邦的，“剛?cè)岵?jì)”的機(jī)器人比較少見。最新研究成果利用常見的泡沫材料，3D打印出可編程、可組合的多樣化生物組織，為研發(fā)“剛?cè)岵?jì)”的仿生機(jī)器人提供了一種解決方案。