AM易道导语：当FDM3D打印机器人自主行走

第一次看到UC圣地亚哥大学团队最新研究成果时，AM易道不禁起了一身鸡皮疙瘩！

这个成果刷新了AM易道对于桌面级3D打印和机器人制造的认知和想象！

一台普通的桌面级FDM打印机，喷头层层堆积TPU58小时后，一体化的六足机器人从打印平台上被取下，连接气源的瞬间，它像被注入了灵魂一般活了过来。

话不多说，先上视频！

自主行走、攀爬、涉水，甚至征服崎岖地形！

没有一颗螺丝，没有一块电路板，没有一行代码，完全依靠打印在其体内的气动结构自主控制。

其仿生性更让AM易道拍案叫绝。

观察它的行走方式，你会发现它采用了与昆虫几乎一模一样的三足步态，就像蚂蚁那样。

一次抬起三条腿（前后交替的两侧腿加上另一侧的中腿），保持三点支撑的同时推动身体前进。

自然界经过亿万年进化形成的设计，如今被完美复制在了这个3D打印的机械生命中！

这项刊登在《Advanced Intelligent Systems》的新研究，不仅向机器人领域另AM易道梦寐以求的"能够从3D打印机中走出来的机器人"这一终极圣杯迈出了实质性的一步。

当你按下打印按钮，走出来的将不再只是静态模型，而是能够自主行动的生命体！

技术突破：一体化3D打印的核心挑战与解决方案

传统的软机器人通常采用硅胶模具铸造工艺制造，这种方法虽然能够实现低刚度组件，但控制系统往往需要复杂的电气机械元件，如泵、阀和传感器。

这导致这些系统通常必须连接到外部控制系统，限制了它们的潜在应用，而且制造过程需要复杂组装各种软硬组件。

近年来，研究人员开始使用压缩流体作为能量来源，既用于驱动（气动肌肉）也用于计算（流体大脑）。

这种方法能够实现无电子元件的软机器人，可以在水下、高辐射环境（如太空）、高磁场环境（如核磁共振成像机）以及有火花点火风险的环境（如矿井）中工作。

然而，这些系统仍然依赖硅胶模具工艺，需要高水平的技能和手工劳动，导致性能高度依赖于制造过程的一致性。

3D打印：气动机器人的革命性制造方法

本研究开创性地采用了桌面级FDM 3D打印技术制造了完全一体化的气动六足机器人。

与之前的气动软机器人不同，这种方法不需要任何手工组装，并且能够实现一致的性能表现。

研究团队使用的关键材料是BASF提供的热塑性聚氨酯（TPU）材料，硬度为80A，这种材料既有足够的柔性允许气动执行器变形，又有足够的硬度维持结构完整性。

突破性设计：四相双稳态振荡阀

该研究的核心创新是设计了一种能够生成四个周期性输出气压信号的可打印流体振荡器。

其中，自启动机制开发了一种能够从打印的开放通道状态自动初始化为闭合阀门状态的机制，解决了3D打印闭合阀门的根本挑战（打印闭合通道会导致通道壁融合无法打开）。

对称双稳态组件设计了镜像双稳态组件以实现对称振荡，确保两个方向上的阈值力相等，这对于机器人的直线行走至关重要。

相位延迟阀（PDV）添加了防止双稳态机制锁死的相位延迟阀，增强了长期运行稳定性。

研究者通过精心设计的四连杆机构和膜片系统，创造了一个能够自动启动并持续振荡的复杂气动控制系统。

这种设计使得机器人能够通过一个恒定压力源实现四个周期性输出，控制六条腿的抬升和摆动动作，产生交替三足步态。

工作原理：从振荡到行走的完美协调

当连接到恒定气压（约138kPa或20psi）时，振荡阀会首先进入自启动过程。

类似于具有两个晶体管的多谐振荡器电路，其中每个晶体管的激活会抑制另一个的激活，导致首先激活其中一个。

系统达到稳定状态后，就会开始持续振荡，生成四个周期性输出信号来控制两组腿的抬升和摆动动作。

整个振荡过程包含六个状态，可以简化为四个输出驱动相位。

振荡阀的相位延迟设计不仅增加了两个中间输出相位，还增强了整个电路的长期稳定性，避免了双稳态阀在过渡状态下可能出现的"卡死"问题。

自主行走的实现

六足机器人的每条腿有两个自由度：水平驱动和垂直驱动。

这两个自由度分别由两对拮抗气动执行器控制，使腿部能够实现抬起、放下、前摆和后摆四个基本动作。

六条腿被分为两组，形成交替三足步态：

一组腿抬起并向前摆动，同时另一组腿放下并向后摆动推动身体前进，这确保了机器人在行走过程中始终有三个支撑点保持稳定性。

性能表现：超越想象的近乎全地形能力

研究团队对机器人进行了多种条件下的测试，展示了其令人印象深刻的性能：

日常行走使用16g CO₂气瓶供能，机器人在平滑表面上以4cm/s的速度（约0.19个身长/秒）行走85cm。

单个气瓶能够支持约80秒的运行。

不带负载情况下，连接恒定气源时最高速度可达7cm/s。

崎岖地形适应性：六足设计使机器人能够稳定地越过2cm高的障碍物。

在一次测试中，机器人在30秒内爬上了18°倾斜的沙地和岩石表面，爬行距离达73cm。

两栖能力让机器人能够走入水坑，在水下行走，然后爬上对岸，展示了在多种环境中运行的能力。

长期稳定性证明：使用TPU材料制造的振荡阀在第一次测试中完成了近2万个振荡周期后才因材料长期黏弹性变形而停止工作。

有趣的是，经过10小时的恢复期后，同一振荡阀又能继续工作2万多个周期，表明变形不是永久性的。

而使用TPE材料制造的振荡阀甚至能够完成17.9万个振荡周期。

AM易道认为，这种能够在多种环境中工作的气动控制方式，展现了无电子器件机器人在特殊环境（如高辐射、高磁场或有火花点火风险的环境）中的独特优势。

制造过程：欧拉工具路径的奥秘

为了确保3D打印部件的气密性和结构完整性，研究团队采用了名为"欧拉工具路径"的特殊打印策略，使打印喷嘴在每一层上连续不断地移动，没有回抽和空走。

这种方法对于打印复杂的气动组件至关重要，特别是像振荡阀这样需要高精度和气密性的部件。

机器人的整个打印过程大约需要58小时，使用 Raise3D E2桌面级3D打印机和0.4mm黄铜喷嘴完成。

打印完成后，无需任何后处理，只需连接气压源即可立即运行。

为了验证制造方法的普遍适用性，研究团队还让另一位操作者在不同地点使用不同型号的3D打印机重现了这个机器人，也获得了成功。

未来展望：该仿生机器人的潜力

AM易道认为，这项研究的最有价值之处在于它开创了一种全新的自主机器人制造方法。

使用单一材料一体化打印的能力，为仿生机器人平价化生产铺平了道路，材料还可以回收讲解。

AM易道总结未来的研究方向可能包括：

  • 开发可打印的压力容器或反应器，直接从液体或固体工作介质（如干冰）产生高压气体，消除对外部气瓶的需求。

  • 集成转向功能和操纵器，使机器人能够执行更复杂的任务。

  • 开发新型气动电路和传感器，实现更高级的控制和环境交互能力。

如果展开想象，群体协作、环境能量收集摆脱气源、月球探测、可变形态结构都可以结合此研究的内容生出新的研发成果。

AM易道结语：3D打印机中走出的机器人

这项研究向我们展示了一个令人兴奋的未来愿景：只需一台桌面级3D打印机，我们就能制造出复杂的自主机器人。

它将机器人技术民主化，使任何人都能根据自己的需求定制和制造机器人。

随便想几个应用，比如从教育领域的机器人套件，到灾难现场的一次性探索机器人，再到太空探索中的现场制造解决方案。

这可能是3D打印真正实现其革命性潜力的一个完美开端。

DeepSeek看完此研究后，赋诗一首：

《气魄赋形》

熔丝织魄出鸿蒙，叠浪生筋六甲雄

云脉纵横藏大化，幽关开阖启天工

能攀绝巘吞沙海，敢踏寒渊饮朔风

待到星槎重锻骨，九霄鳞甲尽腾空

注：

AM易道建议读者星标公众号，以便第一时间收到AM易道更新。AM易道与文中提到公司尚不存在任何形式的商业合作、赞助、雇佣等利益关联。AM易道图片视频来自于网络，仅作为辅助阅读之用途，无商业目的。权归原作者所有，如有任何侵权行为，请权利人及时联系，我们将在第一时间删除。本文图片版权归版权方所有，AM易道水印为自动添加，辅助阅读，不代表对该图片拥有版权，如需使用图片，请自行咨询版权相关方。