洛桑聯(lián)邦理工學院3D打印仿生機器人：單一材料實現(xiàn)肌肉骨骼力學，可舉起4公斤物體

2025年7月25日，南極熊獲悉，洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的研究人員開發(fā)了一款3D打印機器人，它能夠利用單一材料來模擬肌肉和骨骼的機械復雜性。

△晶格肌肉骨骼機器人的概念

3D打印機器人的設計靈感來源于大象，它將柔軟靈活的部件與剛性承重結構巧妙結合，無需更換材料。這項創(chuàng)新研發(fā)由洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）工程學院計算機器人設計與制造實驗室（CREATE）的Josie Hughes領導，旨在控制內部晶格幾何形狀，從而在單一彈性樹脂內產(chǎn)生多種機械行為。

△相關研究成果已發(fā)表在《Science Advances》期刊上，題目為“晶格結構肌肉骨骼機器人：利用可編程幾何拓撲和各向異性”（傳送門）

在本研究中，研究人員通過一種可編程晶格設計方法，用于復制具有可調剛度和方向性的肌肉骨骼系統(tǒng)。團隊采用了拓撲調節(jié)和疊加編程兩種方法，實現(xiàn)了25至300 kPa的楊氏模量和1.38至40 kPa的剪切模量，覆蓋了從軟組織到軟骨樣剛度的剛度范圍。

△通過不同形式的拓撲編程可實現(xiàn)的機械性能范圍

基于格子的剛度編程可實現(xiàn)復雜的運動

為了將設計變?yōu)楝F(xiàn)實，研究人員開發(fā)了一套自定義的MATLAB腳本，用于將運動和剛度需求映射到可編程的晶格幾何結構中。設計通過OpenSCAD和Hob3l導出為STL文件，并使用Godsaid Technology的F80彈性樹脂，在Halot-Mage Pro 3D打印機上進行打印。肌腱驅動裝置采用Bowden電纜和Dynamixel伺服電機實現(xiàn)，同樣通過MATLAB進行控制。

在裝置中，拓撲規(guī)則被用來構建機器人的軀干。該方法通過混合體心立方（bcc）和XCube兩種晶格類型來連續(xù)調整剛度，從而使軀干被分成三個部分，分別進行彎曲、扭轉和螺旋運動，所有這些運動都由四個電機驅動。一個稱為拓撲指數(shù)的參數(shù)控制著軟區(qū)和硬區(qū)之間的過渡，使得尖端能夠利用細小的薄細胞進行精細的抓取，而底部則提供結構支撐。3D打印軀干重量僅為150克，卻能舉起高達500克的重物，并處理直徑從0.1毫米到100毫米的物體。

疊加編程被用來創(chuàng)建機器人腿部的剛性關節(jié)結構。這種方法將具有不同方向和平移的單元組合在一起，以產(chǎn)生離散的定向剛度。腿部在髖部和膝部設有主動關節(jié)，并在踝部設有被動關節(jié)，可根據(jù)地面接觸進行調節(jié)。髖關節(jié)由兩個電機和四條肌腱控制，可進行屈曲、伸展、外展和內收運動，而膝關節(jié)則使用單個電機。腿部可承受高達4公斤的重量，超過機器人3.89公斤的體重，并能以7.5毫米/秒的速度行走，步長約為150毫米。

△大象機器人的設計

3D打印在機械智能機器人設計中的應用

該機器人演示了向前和橫向的步態(tài)，并在三足站立時保持平衡。腳部設計為前部具有較硬的格子區(qū)域，用于承重，而靠近腳跟的區(qū)域則具有較軟的區(qū)域，以便貼合地面。開放式格子設計減輕了整體重量，使機器人無需改裝即可在水中運行。

機械測試證實了梁厚度、單元類型和排列方式的變化如何影響剛度和各向異性。主干扭轉段的旋轉角度高達78.1°，而彎曲模塊的旋轉范圍與均勻結構相比增加了30%。使用這些設計方法生成了超過一百萬種獨特的晶格結構，通過擴展底層幾何變化，晶格結構的數(shù)量可以超過7500萬種。

總的來說，這項研究提供了一種可擴展的方法，將機械智能直接嵌入機器人結構。未來的版本可能會集成傳感器、流體或其它組件，從而擴展到軟體機器人、假肢和輕量化系統(tǒng)。