Empa研究人员制作出可模仿真实肌肉的3D打印软材执行器

2025年3月12日，南极熊获悉，瑞士国家材料科学与技术实验室Empa的研究人员正在致力于生产能够与真实肌肉媲美的人造肌肉。他们宣称通过3D打印技术可以制造出一种既柔软又具有弹性的强大结构。这些人造肌肉有望在医学、机器人技术以及任何需要精准控制运动的应用领域中发挥重要作用。

△Empa的3D打印软体致动器

模仿真实肌肉难题

人造肌肉的潜力远不止于驱动机器人运动；未来，它们有望在人们工作或行走时提供支持，甚至可能替代受损的肌肉组织。尽管如此，开发出能与自然肌肉相媲美的人造肌肉，仍然是一项技术上的重大挑战。

要与生物肌肉相匹配，人造肌肉必须同时具备力量、弹性和柔软性。其中，执行器是人造肌肉的关键组成部分，负责将电脉冲转换为机械运动。执行器在多种环境中发挥着作用，从家庭自动化到汽车引擎，再到先进的工业设施，只需简单的按钮操作即可实现物体的移动。然而，目前的执行器多为坚硬的机械部件，与人体肌肉的特性相去甚远。

△相关研究结果已正式发表在《先进材料技术》上，题目为“高介电常数介电弹性体执行器光纤的快速制造”（传送门）

调和矛盾

研究人员采用了3D打印技术来生产由软材料制成的复杂执行器组件。这种介电弹性执行器（DEA）由两种不同类型的硅基材料构成：一种是导电的电极材料，另一种是不导电的电介质。这两种材料层层堆叠，正如Empa研究员Patrick Danner所描述的，它们的组合类似于交错的手指。当在电极上施加电压时，执行器会收缩，模拟肌肉的运动；而当电压移除时，执行器则恢复到初始状态。

△介电弹性体致动器（DEA）纤维的制造和工作原理

Danner明白，3D打印这种结构极具挑战性。尽管两种软材料在电气属性上有明显差异，但在打印过程中，它们的行为必须非常相似。它们需要保持分离状态，但在最终的执行器中又必须紧密结合。

打印出的“肌肉”必须足够柔软，以便于电刺激引起所需的形变。此外，所有3D打印材料必须满足特定要求：它们在打印压力下必须能够液化，以便从喷嘴挤出。以及，挤出后它们又必须具备足够的粘性以保持形状。

Danner指出：“这些特性往往相互矛盾。优化其中一个特性，往往会导致其它特性的恶化，或者变得更差。”

△通过工艺变化调整光纤结构

从VR手套到跳动的心脏

研究小组负责人Dorina Opris，以及来自苏黎世联邦理工学院的研究人员合作，成功地协调了多种相互矛盾的特性。他们使用了由苏黎世联邦理工学院研究人员Tazio Pleij和Jan Vermant开发的特殊油墨，并通过特定的喷嘴技术，成功打印出了功能性软执行器。

这次合作是Manufhaptics项目的一部分，该项目是ETH领域战略领域先进制造的一个大型项目。项目的目标是开发一种手套，使得虚拟现实中的体验能够更接近真实世界。在这个项目中，人造肌肉的作用是通过提供阻力来模拟抓握物体的感觉。

△Empa的Patrick Danner正在研究由软材料制成的执行器

软执行器的应用潜力远远超出了这一特定项目。由于它们轻便、静音，并且能够根据需要进行定制形状，软执行器有潜力替代传统汽车、机械和机器人中的执行器。在医疗领域，它们同样有巨大的应用前景，前提是它们能够得到进一步的发展。

现阶段，Opris和Danner已经开始探索这一领域。他们的新工艺不仅能够打印出复杂形状的纤维，还能生产出具有弹性的长纤维。Opris指出：“如果我们能使这些纤维变得更细，它们的工作方式将更接近真实肌肉纤维。”研究人员们设想，未来或许可以利用这些纤维来打印出整颗心脏。然而，在这一愿景实现之前，仍有许多研究和开发工作需要完成。