一個(gè)由柔軟材料制成、僅手掌大小的六足機(jī)器人，正靈巧地在桌面上前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎。它不僅能通過手勢(shì)遙控，還能在遇到障礙時(shí)自主繞開，甚至能感覺到被觸摸的位置。更令人驚奇的是，這個(gè)集成了傳感器、電路和驅(qū)動(dòng)器的復(fù)雜機(jī)器人主體，是在一臺(tái)機(jī)器上一次性、無需組裝打印完成的。

長期以來，制造一個(gè)功能完整的軟體機(jī)器人是一項(xiàng)繁瑣的工程：柔軟的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、精密的傳感器和剛性的電子電路，通常需要在不同的地方分別制作，再像拼裝模型一樣小心翼翼地組合起來。這個(gè)過程不僅耗時(shí)，還容易在軟硬材料結(jié)合的脆弱界面處產(chǎn)生故障。

最近，上海交大的研究團(tuán)隊(duì)在《Science Advances》上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，他們開發(fā)了一種集成化的多材料3D打印技術(shù)，能夠像“一體化成型”那樣，自動(dòng)制造出集驅(qū)動(dòng)、傳感、電路和通信功能于一身的自主軟體機(jī)器人。

這項(xiàng)技術(shù)讓復(fù)雜軟體機(jī)器人的制造，從精密的手工組裝活，變成了高效、可靠的自動(dòng)化生產(chǎn)過程。

▍制造困境：為何完整的軟體機(jī)器人如此難造？

軟體機(jī)器人因其出色的柔順性和對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性，在搜救、檢測(cè)和人機(jī)交互等領(lǐng)域前景廣闊。然而，一個(gè)能真正自主工作的軟體機(jī)器人，需要將柔軟的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、各類傳感器、供電單元、控制電路和通信模塊全部集成在一個(gè)有限的空間內(nèi)。

傳統(tǒng)的制造方法，如模具澆鑄和手工組裝，面臨巨大挑戰(zhàn)。

首先是工序繁瑣。每個(gè)部件單獨(dú)制作，再像“搭積木”一樣組裝，耗時(shí)且精度難以保證。

其次是界面脆弱。剛性電路板與柔軟軀體結(jié)合處，在機(jī)器人反復(fù)彎曲變形時(shí)，極易因應(yīng)力集中而開裂或脫落，導(dǎo)致電路失靈。

再就是結(jié)構(gòu)受限。傳統(tǒng)方法很難在三維空間中靈活布置電路，限制了機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和整體小型化。

如何讓“軟”的身體和“硬”的電子和諧共處、可靠工作，仍然是核心難題。

▍技術(shù)突破：兩種3D打印合二為一，30分鐘自動(dòng)成型

研究團(tuán)隊(duì)的解決方案頗具巧思，他們不是發(fā)明一種全新的打印技術(shù)，而是將兩種成熟的3D打印技術(shù)數(shù)字光處理（DLP）和直接墨水書寫（DIW）融為一體，創(chuàng)建了一個(gè)集成的制造平臺(tái)。

DLP技術(shù)擅長用光固化樹脂，快速成型出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的柔軟主體。DIW技術(shù)則像一支精密的“糖霜筆”，可以擠出導(dǎo)電或具有特殊電阻的硅膠“墨水”，從而在機(jī)器人內(nèi)部直接繪制出功能性電路。

關(guān)鍵在于，團(tuán)隊(duì)通過巧妙的流程設(shè)計(jì)和機(jī)械改造，讓這兩種工藝在同一個(gè)制造流程中無縫切換。僅通過四個(gè)連貫步驟，即可讓一個(gè)功能完整的軟體機(jī)器人從無到有，一次成型：

第一步：打印軀體。先用DLP打印出機(jī)器人柔軟的軀體骨架，其中已預(yù)留好電路通道和放置微型電路板的空間。

第二步：嵌入“心臟”。將平臺(tái)翻轉(zhuǎn)180°，把微型的控制板、藍(lán)牙模塊等電子元件精準(zhǔn)放入預(yù)留位。

第三步：繪制“神經(jīng)”。使用DIW技術(shù)，將導(dǎo)電硅膠“寫入”預(yù)留的通道，連接各個(gè)電子元件，形成三維分布的柔性電路網(wǎng)絡(luò)。

第四步：封裝完成。再次使用DLP打印一層柔軟材料，將所有內(nèi)部元件封裝保護(hù)起來，形成最終完整的機(jī)器人。

整個(gè)過程高度自動(dòng)化，僅需約30分鐘，一個(gè)重約120克、功能齊全的軟體機(jī)器人便一次成型，無需任何后期焊接或組裝。

自主軟體機(jī)器人的功能和集成3D打印

▍設(shè)計(jì)巧思：讓“軟”與“硬”和諧共處的工程智慧

先進(jìn)的制造工具解決了“造得出”的問題，但要確保機(jī)器人在反復(fù)彎曲、擠壓下仍能可靠工作，則是一場硬仗。為此，團(tuán)隊(duì)針對(duì)軟硬材料結(jié)合的痛點(diǎn)，提出了三項(xiàng)被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略：

一是波浪形柔性電路。將傳統(tǒng)的直線電路設(shè)計(jì)成如同彈簧般的雙層、波浪形。當(dāng)機(jī)器人軀體彎曲拉伸時(shí)，電路可以通過自身的形變來吸收應(yīng)力，避免被拉斷。實(shí)際測(cè)試表明，采用該設(shè)計(jì)的電路在機(jī)器人軀體經(jīng)歷高達(dá)40%的拉伸應(yīng)變時(shí)，依然能保持電氣連接暢通無阻。

二是離散化迷你印刷電路板。將一整塊剛性電路板分割成多個(gè)微型模塊，并通過柔性電路連接。這好比將一塊易碎的大玻璃，轉(zhuǎn)化為一把嵌入橡膠中的小鵝卵石，從根本上分散了機(jī)械應(yīng)力，讓整體結(jié)構(gòu)在劇烈形變下仍保持穩(wěn)定。

三是能量吸收晶格結(jié)構(gòu)。在關(guān)鍵電子元件周圍，用DLP打印出充滿孔隙的晶格結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)像高級(jí)運(yùn)動(dòng)鞋的泡沫中底一樣，能在機(jī)器人受到撞擊或擠壓時(shí)，有效吸收和分散沖擊力，保護(hù)內(nèi)部脆弱的電子元件。在嚴(yán)苛的45%軸向壓縮循環(huán)測(cè)試中，內(nèi)嵌于晶格中的LED電路始終保持功能正常。

這些設(shè)計(jì)共同作用，解決了自主軟體機(jī)器人長期以來的可靠性瓶頸，讓它們能夠耐受現(xiàn)實(shí)世界中的碰撞和大幅變形。

軟硬材料相互作用的設(shè)計(jì)

▍功能展示：從手勢(shì)遙控到自主避障的全能選手

基于這套設(shè)計(jì)和制造方法誕生的軟體機(jī)器人，展現(xiàn)出了令人印象深刻的多功能特性。

靈敏的“感知-反饋”系統(tǒng)

機(jī)器人集成了一個(gè)四分之三圓形的觸覺傳感器。當(dāng)它的左側(cè)、前方或右側(cè)被觸摸時(shí)，內(nèi)部的柔性電阻電路會(huì)發(fā)生變化，信號(hào)被實(shí)時(shí)處理并通過藍(lán)牙發(fā)送。研究人員甚至開發(fā)了一個(gè)戴在手指上的柔性遙控器，上面的LED燈會(huì)分別亮起紅、綠、藍(lán)光，直觀地告訴操作者機(jī)器人身體的哪個(gè)部位被觸碰到了，實(shí)現(xiàn)了觸覺到視覺的反饋。

直觀的手勢(shì)遙控

通過手指上的柔性遙控器，操作者可以自然地用手勢(shì)控制機(jī)器人：手指上抬是前進(jìn)，下壓是后退，左右旋轉(zhuǎn)則對(duì)應(yīng)機(jī)器人的左右轉(zhuǎn)彎。這為人機(jī)交互提供了一種更直觀、更自然的方式。

遙控和觸覺到視覺反饋

真正的自主導(dǎo)航能力

更重要的是，這個(gè)軟體機(jī)器人具備了自主決策能力。研究團(tuán)隊(duì)為其集成了微型飛行時(shí)間傳感器和慣性測(cè)量單元。在演示中，機(jī)器人能夠在無人干預(yù)的情況下，在設(shè)有障礙物和死胡同的迷宮中自主探索、決策并規(guī)劃路徑，成功抵達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。這標(biāo)志著它從一個(gè)簡單的遙控機(jī)器，進(jìn)化為了一個(gè)能適應(yīng)未知環(huán)境的自主智能體。

自動(dòng)導(dǎo)航

▍未來展望：為下一代軟體機(jī)器人打開想象空間

這項(xiàng)研究的價(jià)值，不僅在于制造出了一個(gè)功能出色的機(jī)器人原型，更在于它提供了一套通用的設(shè)計(jì)和制造范式，為開發(fā)更復(fù)雜、功能更強(qiáng)大的電子集成自主軟體機(jī)器人鋪平了道路。

從精密的“手工活”到高效的“一體化打印”，這項(xiàng)技術(shù)正在改變軟體機(jī)器人的制造邏輯。它讓創(chuàng)造那些能深入狹窄縫隙進(jìn)行搜救、能在人體內(nèi)安全執(zhí)行醫(yī)療任務(wù)、或能在復(fù)雜工業(yè)設(shè)備中自主巡檢的柔性智能機(jī)器，離現(xiàn)實(shí)又近了一大步。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz2928