​摩方微納3D打印重構(gòu)仿生機(jī)器人極限制造

來(lái)源：摩方高精密

在生物工程與機(jī)器人技術(shù)的交匯點(diǎn)上，人類對(duì)生命本質(zhì)的模仿正在改寫未來(lái)科技的邊界。新型仿生微型機(jī)器人基于跨尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與智能響應(yīng)材料，持續(xù)突破傳統(tǒng)器件的物理極限。但同時(shí)具備微型化、精準(zhǔn)操控、高度集成等多物理場(chǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)調(diào)控，則需通過精密制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新迭代。

傳統(tǒng)加工工藝難以兼顧精密性、功能集成性與生物相容性，微納3D打印技術(shù)兼具高精度、高穩(wěn)定性、材料兼容、快速成型等優(yōu)勢(shì)，正成為破解這一困局的核心引擎。

本文通過三大標(biāo)志性科研應(yīng)用案例，揭示微納制造如何推動(dòng)仿生微型機(jī)器人從實(shí)驗(yàn)室構(gòu)想邁向工程化應(yīng)用落地。

對(duì)數(shù)螺旋線軟體機(jī)器人登刊《Device》
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)Nikolaos Freris教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性首次提出基于對(duì)數(shù)螺旋線結(jié)構(gòu)的新型螺旋軟體機(jī)器人。研究團(tuán)隊(duì)采用多尺度制造工藝，成功制備了涵蓋不同尺寸、多種材料特性的系列原型機(jī)器人。研究通過仿生驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，僅用簡(jiǎn)單的繩索驅(qū)動(dòng)復(fù)現(xiàn)了其可比擬生物肢體的運(yùn)動(dòng)特征；又通過變化構(gòu)型及陣列協(xié)作，展示了其在多維度和多場(chǎng)景中執(zhí)行復(fù)雜抓取和操作任務(wù)的優(yōu)越性能。

在研究中，作者首次展示了一種微型螺旋機(jī)器人，其總長(zhǎng)度只有1 cm，最小節(jié)邊長(zhǎng)0.14 mm。該機(jī)器人采用摩方精密nanoArch® S130 （精度：2 μm）3D打印系統(tǒng)和摩方韌性光敏樹脂（ST1400）打印成型。該機(jī)器人通過兩根直徑20 μm的驅(qū)動(dòng)細(xì)絲實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，可對(duì)螞蟻等活體微小生物進(jìn)行無(wú)損抓取。

DOI：10.1016/j.device.2024.100646

仿生機(jī)械臂登頂《Science Robotics》
今年3月，東京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出全球首款由培養(yǎng)肌肉組織全驅(qū)動(dòng)、具備多關(guān)節(jié)靈活運(yùn)動(dòng)的仿生機(jī)械手，并被日本ANN NEWS報(bào)道。這項(xiàng)突破性成果不僅攻克了傳統(tǒng)生物混合機(jī)器人尺寸與力量受限的難題，更通過創(chuàng)新性整合摩方微納3D打印技術(shù)，為人工肌肉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開辟了全新路徑，標(biāo)志著人類在生物機(jī)電一體化領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。

研究團(tuán)隊(duì)受"壽司卷"結(jié)構(gòu)啟發(fā)，成功開發(fā)出18 cm長(zhǎng)的生物混合機(jī)械手裝置。該裝置采用創(chuàng)新性仿生設(shè)計(jì)：首先將8條直徑為50 μm、長(zhǎng)度為10 cm的薄層肌肉組織平行排列，通過卷曲工藝形成圓柱形基體結(jié)構(gòu)；在此基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上整合五根具備多關(guān)節(jié)活動(dòng)能力的仿生手指，每根手指均配置一個(gè)獨(dú)立控制的MuMuTA，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的抓取動(dòng)作。其中，團(tuán)隊(duì)利用摩方nanoArch® S140（精度：10 μm）3D打印系統(tǒng)制備了多關(guān)節(jié)中空手指骨架和細(xì)胞培養(yǎng)錨定結(jié)構(gòu)。

DOI：10.1126/scirobotics.adr5512

針孔復(fù)眼亮相《Science Robotics》封面
香港科技大學(xué)范智勇教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開發(fā)了半球形針孔復(fù)眼（PHCE）系統(tǒng)，集成了3D打印的蜂窩狀光學(xué)結(jié)構(gòu)和半球形的全固態(tài)高密度鈣鈦礦納米線（PNA）光電探測(cè)器陣列，并以超大視場(chǎng)角與優(yōu)異的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，登頂《Science Robotics》封面，成為機(jī)器視覺領(lǐng)域的里程碑。

研究團(tuán)隊(duì)采用摩方nanoArch® P140（精度：10 μm），以光敏樹脂為原料，成功制備出具有特定幾何構(gòu)型的針孔陣列，并實(shí)現(xiàn)與半球形外殼凸面的共形集成。依托摩方微納3D打印技術(shù)的高制造自由度與架構(gòu)精簡(jiǎn)特性，針孔陣列的光學(xué)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)精確優(yōu)化與自適應(yīng)配置，確保與底層圖像傳感器的光譜響應(yīng)及空間采樣需求高效適配，為多機(jī)器人協(xié)作和機(jī)器人群技術(shù)開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

DOI：10.1126/scirobotics.adi8666

挑戰(zhàn)與未來(lái)
三個(gè)代表性科研成果驗(yàn)證了微納增材制造的技術(shù)賦能潛力。如今，全球頂尖研究學(xué)校與機(jī)構(gòu)正依托摩方面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)、復(fù)合精度光固化技術(shù)、創(chuàng)新高性能材料等尖端工藝，將仿生結(jié)構(gòu)制造精度推進(jìn)至微米級(jí)，實(shí)現(xiàn)跨尺度精密加工的革命性突破。

未來(lái)，摩方將通過持續(xù)迭代突破微納3D打印技術(shù)，全力推動(dòng)生物-機(jī)械系統(tǒng)的高效融合，賦能仿生微型機(jī)器人在神經(jīng)介入、深空探測(cè)、集群作戰(zhàn)等高端戰(zhàn)略領(lǐng)域開啟精密化、智能化、集群化的全新紀(jì)元。