使用3D噴墨打印系統(tǒng)，工程師們可以制造混合結(jié)構(gòu)，其中包含軟性和剛性組件，比如機(jī)器人抓手，它們足夠強(qiáng)大以?shī)A取重物，但又柔軟到可以安全地與人類(lèi)進(jìn)行互動(dòng)。

這些多材料3D打印系統(tǒng)利用成千上萬(wàn)個(gè)噴嘴沉積微小的樹(shù)脂液滴，然后使用刮刀或滾輪平整，并利用紫外線光線進(jìn)行固化。但平整過(guò)程可能會(huì)擠壓或涂抹固化時(shí)間較長(zhǎng)的樹(shù)脂，從而限制了可以使用的材料類(lèi)型。

麻省理工學(xué)院（MIT）、MIT的衍生公司Inkbit和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的研究人員開(kāi)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(jī)利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)自動(dòng)掃描3D打印表面，并實(shí)時(shí)調(diào)整每個(gè)噴嘴沉積樹(shù)脂的數(shù)量，以確保沒(méi)有區(qū)域的材料過(guò)多或過(guò)少。

由于不需要機(jī)械部件來(lái)平整樹(shù)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(shí)間較長(zhǎng)的材料化學(xué)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(dòng)化系統(tǒng)在不停止或減慢打印過(guò)程的情況下進(jìn)行調(diào)整，使得這臺(tái)生產(chǎn)級(jí)打印機(jī)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(tái)打印機(jī)創(chuàng)建了結(jié)合軟硬材料的復(fù)雜機(jī)器人裝置。例如，他們制造了一個(gè)完全由3D打印制成的機(jī)器人抓手，形狀類(lèi)似人手，并由一組加強(qiáng)但靈活的肌腱控制。

麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授，也是麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）計(jì)算設(shè)計(jì)和制造組的負(fù)責(zé)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(guān)鍵想法是開(kāi)發(fā)一種機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和完全的主動(dòng)反饋循環(huán)。這幾乎就像是賦予打印機(jī)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(jī)的大腦指導(dǎo)它接下來(lái)應(yīng)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(xué)院的博士生Thomas Buchner（首席作者）、ETH Zurich軟體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、助理教授Robert Katzschmann（2018年獲博士學(xué)位）等人。這項(xiàng)研究將發(fā)表在《自然》期刊上。

無(wú)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(jī)MultiFab。MultiFab利用成千上萬(wàn)個(gè)噴嘴沉積微小的樹(shù)脂液滴，并通過(guò)紫外線光線固化，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的多材料同時(shí)3D打印。

通過(guò)這項(xiàng)新項(xiàng)目，研究人員尋求一種無(wú)接觸的工藝，以擴(kuò)展他們可以使用的材料范圍，從而制造更復(fù)雜的裝置。

他們開(kāi)發(fā)了一種名為“視覺(jué)控制噴射”的技術(shù)，利用四個(gè)高幀率攝像頭和兩個(gè)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(wàn)個(gè)噴嘴沉積微小樹(shù)脂液滴的圖像。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)將圖像轉(zhuǎn)換為高分辨率深度圖，這個(gè)計(jì)算過(guò)程不到一秒鐘。它將深度圖與正在制作的零件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型進(jìn)行比較，并調(diào)整沉積的樹(shù)脂量，以確保物體與最終結(jié)構(gòu)保持一致。

自動(dòng)化系統(tǒng)可以對(duì)任何單個(gè)噴嘴進(jìn)行調(diào)整。由于打印機(jī)有16,000個(gè)噴嘴，系統(tǒng)可以精確控制被制作裝置的細(xì)節(jié)。

Katzschmann說(shuō)：“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(méi)有什么限制可以發(fā)送到打印機(jī)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(lái)打印，該材料用作支撐材料，以在物體內(nèi)部創(chuàng)建空腔或錯(cuò)綜復(fù)雜的通道網(wǎng)絡(luò)。在制作裝置時(shí)，蠟被打印在結(jié)構(gòu)下方。完成后，物體被加熱使蠟融化并流出，留下物體內(nèi)的開(kāi)放通道。

由于該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整每個(gè)噴嘴沉積的材料量，因此無(wú)需在打印表面上拉動(dòng)機(jī)械部件以保持水平。這使得打印機(jī)可以使用固化速度更慢、會(huì)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?cè)诟鼜V泛的溫度范圍內(nèi)更穩(wěn)定，并且暴露在陽(yáng)光下不會(huì)快速降解。

Katzschmann表示：“當(dāng)你想要制造需要與現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境互動(dòng)的機(jī)器人或系統(tǒng)時(shí)，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(gè)復(fù)雜的裝置，這些裝置在現(xiàn)有的3D打印系統(tǒng)中幾乎無(wú)法制作。例如，他們制作了一個(gè)功能性的、由肌腱驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人手，其擁有19根獨(dú)立的活動(dòng)肌腱、帶有傳感器墊的軟手指和承載負(fù)載的剛性骨骼。

Buchner說(shuō)：“我們還制作了一個(gè)六條腿的行走機(jī)器人，它能夠感知和抓取物體，這是因?yàn)橄到y(tǒng)能夠創(chuàng)建軟硬材料的氣密接口，以及結(jié)構(gòu)內(nèi)的復(fù)雜通道?！?

通過(guò)類(lèi)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(tuán)隊(duì)還展示了該技術(shù)的應(yīng)用。

Matusik表示：“這只是開(kāi)始。這項(xiàng)技術(shù)可以添加許多新類(lèi)型的材料。這使得我們能夠引入之前無(wú)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(jìn)行水凝膠的打印，水凝膠在組織工程應(yīng)用中使用，同時(shí)也包括硅材料、環(huán)氧樹(shù)脂和特殊類(lèi)型的耐用聚合物。

他們還希望探索新的應(yīng)用領(lǐng)域，例如打印可定制的醫(yī)療器械、半導(dǎo)體拋光墊以及更加復(fù)雜的機(jī)器人。

該研究部分資助來(lái)自瑞士信貸銀行（Credit Suisse）、瑞士國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（Swiss National Science Foundation）、國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）。