杏彩官方登陆:3D打印最新Nature！

　　自然生物以其高效、灵活和适应各种环境的能力为工程师们提供了巨大的灵感。然而，传统的制造方法限制了软硬结合系统的复杂性和多样性，尤其在引入柔性元素和复杂结构方面表现不佳。当前3D打印技术，例如直接墨水写入法（DIW）和传统的3D喷墨打印方法，它们在分辨率、速度、材料选择和软硬结合等方面存在限制。这些限制妨碍了对复杂多材料系统和机器人的设计与制造。

　　2023年11月15日，苏黎世联邦理工学院Robert Katzschmann和美国Inkbit公司Wojciech Matusik合作，创造了一种名为“vision-controlled jetting”（视觉控制喷射）的喷墨沉积工艺，能够使用扫描系统捕捉三维打印几何结构，并启用数字反馈回路，从而实现复杂系统和机器人的制造。该方法消除了对机械平整器的需求，并采用了无接触的工艺，允许使用持续固化的化学物质，从而扩展了可用材料的范围。通过该工艺，直接制造了一系列复杂高分辨率的复合系统和机器人，包括腱驱动手、气动致动行走机械手、模拟心脏的泵和超材料结构等。这些系统和机器人展示了该工艺的可行性，并显示出其制造具有高分辨率、功能性和多材料特性的系统的潜力。该研究成果以“Vision-controlled jetting for composite systems and robots”为题，发表在Nature期刊上。第一作者是苏黎世联邦理工学院的Thomas Buchner。

　　同期盐湖城大学Yong Lin Kong在Nature发表了题目为“Multi-material 3D printing guided by machine vision”的报道，指出该研究利用机器视觉来解决一直困扰3D喷墨打印机的问题，扩大了可使用的材料范围，并且使得能够快速制造复杂物体。

　　vision-controlled jetting（VCJ）方法利用高速3D视觉系统来进行少接触、连续的打印调整，以实现喷射多种材料，扩展可打印材料范围和硬度，从而创造出功能复杂的系统和机器人。

　　·视觉系统与深度图：利用高速3D视觉系统捕捉当前打印表面的深度图，通过检测当前表面偏差并在下一层适应性地调整喷射树脂的量，来实现打印过程中的反馈控制。

　　·高速打印：VCJ方法比之前的工作速度快660倍，可达到高达33 ml/min的吞吐量，实现了高速、高效的打印。

　　·慢固化化学品的利用：VCJ的无接触过程允许使用缓慢固化的化学品，例如硫醚烯，使得材料结构更加精确和可控。

　　·材料属性范围：VCJ能够制造具有广泛材料属性（如化学性能、户外耐久性）的零件，包括耐化学品和户外环境（紫外线和湿气）的材料兼容性。

　　·高分辨率和高吞吐量：VCJ打印机可以以高分辨率（32 μm × 64 μm × 20 μm体素大小）和高吞吐量（24×10^9体素/h）的方式制造混合结构。

　　·多材料打印：支持同时打印多种不同类型的树脂和支撑材料，使得在同一结构中可以实现多种材料的组合。

　　·环控制系统：使用闭环控制系统实现单次通过的多材料打印，目前最多支持三种建造材料和一种支撑材料。

　　VCJ方法可以利用慢固化和快固化的聚合物化学品进行打印，允许对不同类型的材料进行灵活应用，如高弹性物体和耐化学性材料等。

　　研究人员评估了材料的性能，并将其与最先进的3D喷墨材料（软硫醚烯与丙烯酸酯类材料）进行了比较，主要涉及以下方面：

　　·弹性模量和断裂伸长率：研究比较了软硫醚烯与Stratasys PolyJet材料Tango Black Plus的性能，发现它们在初始状态下的弹性模量和断裂伸长率相近。

　　·室外耐久性测试：对Tango Black Plus和软硫醚烯在室外环境（包括紫外线照射、温度变化和湿度）下的耐久性进行了测试。结果显示，Tango Black Plus的弹性模量在短时间内急剧增加，而软硫醚烯的变化较小，仅有约4%的变化。

　　·韧性模数和回弹模数：通过ASTM D2632标准测试了弹性材料的韧性模数，结果显示软硫醚烯的韧性模数是Tango Black Plus和Agilus 30（Tango Black Plus的后继产品）的两倍。

　　·应力-应变循环测试：通过应力-应变循环测试，研究了材料的粘弹性行为。结果显示，丙烯酸酯类材料的迟滞面积是软硫醚烯的3到4.3倍。

　　·动态机械分析（DMA）：DMA测试显示，软硫醚烯的玻璃转变温度（Tg）区域比两种丙烯酸酯更窄，且在存储模量方面的变化范围较窄。

　　1. 手部系统的功能和设计特点：该手部系统是一个多材料的打印系统，具备传感器垫和气动信号线，能够感知接触、发动抓取动作，并在手指触碰物体时停止手指运动。这些功能的实现得益于VCJ技术可以打印出长、柔软、薄的通道以及具有薄膜的大腔室。

　　2. 手部系统的结构和机制：该系统有19根独立可操控的肌腱，设计灵感源自生物学，具有刚性的承载核心和柔软的可弯曲外壳。通过将肌腱连接到伺服马达进行操控，手指尖配备了印刷式传感器垫，并通过印刷的液压信号线连接到压力传感器。

　　3. 自主抓取功能：当手部系统接触物体且感知到的压力超过预定阈值时，系统会通过控制伺服马达触发抓取动作。例如，当手掌传感器接触物体时，会触发手指弯曲抓取动作。当物体接触手指传感器垫时，信号线会检测到压力变化，一旦达到预定阈值，手指运动就会在完全弯曲之前停止。

　　4. 手部系统的功能验证：作者对该手部系统的抓取能力进行了测试评估，利用一组物体来验证其抓取性能。

　　1. 行走抓取器的功能和设计特点：该机器人是一种六足行走系统，具有液压驱动的机械腿部和抓取装置。它可以行走、抓取和感知环境，这些功能是通过打印机器的能力制造出强大的气密软硬接口和复杂的三维通道来实现的。

　　2. 机器人的结构和运动机制：行走抓取器具有六条带有双关节的腿部，每个关节都支持高达35kPa的驱动压力，并可以实现一定范围的运动。这六条腿分为两组，每组三条腿供给压力的空气。此外，机器人还配备了抓取器，其末端嵌入了传感器垫，可以感知并反馈抓取动作。

　　3. 机器人的运动性能：该行走抓取器可以以稳定的速度行走，并且具有向前和向后行走的能力。其步态循环允许机器人以约0.1倍身长每秒的速度行走，也能够以约0.01米每秒的速度稳定地行走。此外，机器人还能够通过改变步态循环来移动。

　　1. 心脏式流体泵的设计特点：这个流体泵是一种模拟心脏结构设计的泵，具有用于驱动的薄膜、单向阀和内部传感器腔室。泵内部的集成阀和泵动膜受到了哺乳动物心脏结构和机制的启发，借鉴了自然界已经优化过的设计。打印过程中采用了易于去除的支撑材料，使得能够一次性打印出具有薄膜、软性腔室和刚性壁的多个小型和大型腔室。

　　2. 泵的工作原理：这款受生物启发的泵通过对泵动膜进行循环压力变化来控制泵的工作循环，从而实现液体的流动。其泵阀的机制设计也受到了自然界的启发，并在软硬材料和特征尺寸的安排上进行了进一步优化。

　　3. 性能测试：作者使用流体实验装置对泵的流量、传感器和保水能力进行了测试。实验结果显示，泵在不同的泵动循环下可以获得高达2.3升/分钟的流量，并且所打印的传感器可以测量到匹配期望泵动频率的压力变化，因此可以在闭环控制环境中使用。

　　变形材料结构（metamaterial structures）是一种超越自然材料属性的材料架构，其设计基于其拓扑结构，允许设计者根据特定任务定制这些结构。这些结构利用各种物理原理，超越了材料传统属性的限制，因此具有广泛的应用前景。

　　1. 变形材料结构的制造：为了展示VCJ技术的化学材料和精细特征，作者制作了一系列类似桁架结构的变形材料。这些结构包括一组3×3×3个单元格，包括几何定向的链接和节点。通过改变软连接和刚性节点的直径，作者改变了这种材料在受压时的行为特性。

　　2. 压缩实验：作者对不同样本进行了压缩测试，以研究变形材料在受压时的行为变化。通过改变连接和节点的直径，作者能够调整材料在受压时的行。