研究人员开发Xstrings技术：3D打印一体化电缆驱动机制，实现动态结构免组装制造

2025年3月25日，南极熊获悉，清华大学、浙江大学和麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究人员开发出一种新型软件，可以3D打印出具有类似人类运动能力的物体。这项技术被称作“Xstrings”，它能够自动制造出可弯曲、盘绕、拧紧和压缩的电缆驱动组件。

△Jiaji Li和使用Xstrings方法3D打印的设备

传统电缆驱动机制的设计和制造需要复杂的装配（如钻孔、穿线、打结），而研究人员开发的Xstrings软件通过双材料FDM 3D打印技术，可以将电缆、关节和结构一次性集成打印，显著减少人工操作时间和成本。实验表明，相比传统方法，Xstrings节省了约40%的制造时间。

△相关研究题目为“Xstrings: 用于致动、变形和操纵的3D打印线缆驱动机制变形和操纵”（传送门）

这项研究的第一作者、麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）博士后Jiaji Li，将在即将于下个月举行的2025年计算机系统人为因素会议（CHI2025）上介绍这篇新研究论文。该论文详细介绍了用于验证Xstrings功能的多项测试。例如，Li的团队已经证明，3D打印的电缆在断裂前能够承受超过6万次90度的弯曲收缩。研究还发现，生产速度会影响电缆质量，在260°C下进行3D打印时，打印速度为10 mm/s和15 mm/s时能够产生最佳效果。

Li解释道：“Xstrings软件能够将各种创意变为现实。它使得制造类似人手的仿生机器人设备成为可能，这些设备能够模仿我们的抓握能力。我们的创新方法有助于任何拥有桌面双材料3D打印机的人设计和制造电缆驱动产品。”

△由Xstrings软件3D打印的仿生手指与电缆和各组件的关系

新型仿生3D打印方法

缆线驱动机制通过将线穿过分段物体来实现功能。当拉动线缆时，张力会导致物体弯曲、扭曲或折叠，具体取决于它的设计。这种方法在仿生学中被广泛应用，使机器人设备能够执行类似人类的运动。例如，在机械手上集成缆线可以使手指弯曲和抓握物体。

新型Xstrings软件采用了Rhinoceros 8作为设计环境，并利用Grasshopper作为中间计算工具。用户首先提交一个具有特定尺寸的设计，然后选择四种“基元”模式，例如弯曲、卷绕、扭曲或压缩来定义设备的运动方式。用户还可以指定这些运动所需的角度。

值得注意的是，多个基元可以组合成一个设备，从而解锁更复杂的运动能力。例如，在创建机器人爪时，研究人员将多条电缆以并联组合的方式集成在一起，使每个手指都能够独立地握成拳头。他们利用Xstrings方法和设计工具3D打印了其它几种多材料机制，包括行走蜥蜴机器人、能够开合的墙壁雕塑，以及能够缠绕物体的触手。

Xstrings还允许用户指定每根电缆在部件内的固定位置。例如，在设计一个机器人手指时，通过设置锚点在指尖，电缆从手指的一端延伸到另一端的拉动标签，可以确保电缆的拉动操作能够有效地控制手指的运动。这样的设计使得部件在组装和使用过程中更为灵活和高效。

△(a)使用Xstrings打印的样品，中心部件可以平滑运动；(b)使用默认设置打印的相同样品，中心部件会卡住

使用Xstrings一步3D打印多功能电缆驱动部件

完成模拟设计后，用户可以导出文件并发送至FDM 3D打印机。为了确保兼容任何多材料FDM 3D打印机，研究人员没有为特定型号生成G代码。相反，他们为各种切片软件提供了参数设置，并使用UltiMaker S5、UltiMaker 3和Bambu Lab X1 3D打印机打印了Xstrings测试设备。设备主体采用PLA材料，而电缆则使用尼龙制成。

△Xstrings 3D打印爪，具有四个具有柔性关节的手指和一个具有机械关节的肘关节

现阶段，研究人员的新工艺能够在一步内制造出功能部件，只需放置水平电缆并围绕电缆进行打印。迄今为止，这种方法已用于生产外部坚硬而内部柔软灵活的部件。未来，研究人员的目标是通过3D打印外部柔软、内部坚硬的设备，以模仿人类的皮肤和骨骼。他们还计划探索更耐用的电缆，并尝试以不同角度或垂直方式嵌入电缆。

未来，研究人员相信，他们的新方法将为多种应用带来价值，包括空间站和外星基地使用的缆绳驱动机器人、仿生设备、可调节的时装设计以及交互式艺术品等装置。