使用3D噴墨打印系統(tǒng)，工程師們可以制造混合結構，其中包含軟性和剛性組件，比如機器人抓手，它們足夠強大以夾取重物，但又柔軟到可以安全地與人類進行互動。

這些多材料3D打印系統(tǒng)利用成千上萬個噴嘴沉積微小的樹脂液滴，然后使用刮刀或滾輪平整，并利用紫外線光線進行固化。但平整過程可能會擠壓或涂抹固化時間較長的樹脂，從而限制了可以使用的材料類型。

麻省理工學院（MIT）、MIT的衍生公司Inkbit和蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zurich）的研究人員開發(fā)了一種能夠使用更廣泛材料的新型3D噴墨打印系統(tǒng)。他們的打印機利用計算機視覺自動掃描3D打印表面，并實時調整每個噴嘴沉積樹脂的數(shù)量，以確保沒有區(qū)域的材料過多或過少。

由于不需要機械部件來平整樹脂，這種非接觸式系統(tǒng)可以處理比傳統(tǒng)3D打印中使用的丙烯酸酯固化慢的材料。一些固化時間較長的材料化學成分可以提供比丙烯酸酯更好的性能，如更大的彈性、耐久性或使用壽命。

此外，自動化系統(tǒng)在不停止或減慢打印過程的情況下進行調整，使得這臺生產級打印機的速度約為相似3D噴墨打印系統(tǒng)的660倍。

研究人員利用這臺打印機創(chuàng)建了結合軟硬材料的復雜機器人裝置。例如，他們制造了一個完全由3D打印制成的機器人抓手，形狀類似人手，并由一組加強但靈活的肌腱控制。

麻省理工學院電氣工程和計算機科學教授，也是麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室（CSAIL）計算設計和制造組的負責人之一，研究論文的聯(lián)合通訊作者之一Wojciech Matusik表示：“我們的關鍵想法是開發(fā)一種機器視覺系統(tǒng)和完全的主動反饋循環(huán)。這幾乎就像是賦予打印機一雙眼睛和一顆大腦，眼睛觀察正在打印的物體，然后打印機的大腦指導它接下來應該打印什么?！?

他在論文中的合著作者包括瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的博士生Thomas Buchner（首席作者）、ETH Zurich軟體機器人實驗室負責人、助理教授Robert Katzschmann（2018年獲博士學位）等人。這項研究將發(fā)表在《自然》期刊上。

無接觸式  

這篇論文基于研究人員于2015年推出的低成本多材料3D打印機MultiFab。MultiFab利用成千上萬個噴嘴沉積微小的樹脂液滴，并通過紫外線光線固化，實現(xiàn)了高分辨率的多材料同時3D打印。

通過這項新項目，研究人員尋求一種無接觸的工藝，以擴展他們可以使用的材料范圍，從而制造更復雜的裝置。

他們開發(fā)了一種名為“視覺控制噴射”的技術，利用四個高幀率攝像頭和兩個快速連續(xù)掃描打印表面的激光器。這些攝像頭捕捉成千上萬個噴嘴沉積微小樹脂液滴的圖像。

計算機視覺系統(tǒng)將圖像轉換為高分辨率深度圖，這個計算過程不到一秒鐘。它將深度圖與正在制作的零件的計算機輔助設計（CAD）模型進行比較，并調整沉積的樹脂量，以確保物體與最終結構保持一致。

自動化系統(tǒng)可以對任何單個噴嘴進行調整。由于打印機有16,000個噴嘴，系統(tǒng)可以精確控制被制作裝置的細節(jié)。

Katzschmann說：“幾何上，它可以制作幾乎任何你想要的由多種材料組成的東西。幾乎沒有什么限制可以發(fā)送到打印機上，而最終得到的東西真的是功能性的且持久耐用。”

系統(tǒng)提供的控制水平使其可以非常精確地使用蠟來打印，該材料用作支撐材料，以在物體內部創(chuàng)建空腔或錯綜復雜的通道網絡。在制作裝置時，蠟被打印在結構下方。完成后，物體被加熱使蠟融化并流出，留下物體內的開放通道。

由于該系統(tǒng)可以實時自動調整每個噴嘴沉積的材料量，因此無需在打印表面上拉動機械部件以保持水平。這使得打印機可以使用固化速度更慢、會被刮刀涂抹的材料。

優(yōu)越材料  

研究人員利用該系統(tǒng)打印了基于硫烯的材料，其固化速度比傳統(tǒng)3D打印中使用的丙烯酸酯慢。然而，硫烯基材料比丙烯酸酯更有彈性，不易斷裂。它們在更廣泛的溫度范圍內更穩(wěn)定，并且暴露在陽光下不會快速降解。

Katzschmann表示：“當你想要制造需要與現(xiàn)實世界環(huán)境互動的機器人或系統(tǒng)時，這些是非常重要的特性?！?

研究人員使用硫烯基材料和蠟制作了幾個復雜的裝置，這些裝置在現(xiàn)有的3D打印系統(tǒng)中幾乎無法制作。例如，他們制作了一個功能性的、由肌腱驅動的機器人手，其擁有19根獨立的活動肌腱、帶有傳感器墊的軟手指和承載負載的剛性骨骼。

Buchner說：“我們還制作了一個六條腿的行走機器人，它能夠感知和抓取物體，這是因為系統(tǒng)能夠創(chuàng)建軟硬材料的氣密接口，以及結構內的復雜通道?！?

通過類似心臟的泵和集成室和人造心臟瓣膜，以及可以編程具有非線性材料特性的超材料，團隊還展示了該技術的應用。

Matusik表示：“這只是開始。這項技術可以添加許多新類型的材料。這使得我們能夠引入之前無法用于3D打印的全新材料系列?！?

研究人員目前正在考慮使用該系統(tǒng)進行水凝膠的打印，水凝膠在組織工程應用中使用，同時也包括硅材料、環(huán)氧樹脂和特殊類型的耐用聚合物。

他們還希望探索新的應用領域，例如打印可定制的醫(yī)療器械、半導體拋光墊以及更加復雜的機器人。

該研究部分資助來自瑞士信貸銀行（Credit Suisse）、瑞士國家科學基金會（Swiss National Science Foundation）、國防高級研究計劃局（DARPA）和美國國家科學基金會（NSF）。