洛桑联邦理工学院3D打印仿生机器人：单一材料实现肌肉骨骼力学，可举起4公斤物体

2025年7月25日，南极熊获悉，洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员开发了一款3D打印机器人，它能够利用单一材料来模拟肌肉和骨骼的机械复杂性。

△晶格肌肉骨骼机器人的概念

3D打印机器人的设计灵感来源于大象，它将柔软灵活的部件与刚性承重结构巧妙结合，无需更换材料。这项创新研发由洛桑联邦理工学院（EPFL）工程学院计算机器人设计与制造实验室（CREATE）的Josie Hughes领导，旨在控制内部晶格几何形状，从而在单一弹性树脂内产生多种机械行为。

△相关研究成果已发表在《Science Advances》期刊上，题目为“晶格结构肌肉骨骼机器人：利用可编程几何拓扑和各向异性”（传送门）

在本研究中，研究人员通过一种可编程晶格设计方法，用于复制具有可调刚度和方向性的肌肉骨骼系统。团队采用了拓扑调节和叠加编程两种方法，实现了25至300 kPa的杨氏模量和1.38至40 kPa的剪切模量，覆盖了从软组织到软骨样刚度的刚度范围。

△通过不同形式的拓扑编程可实现的机械性能范围

基于格子的刚度编程可实现复杂的运动

为了将设计变为现实，研究人员开发了一套自定义的MATLAB脚本，用于将运动和刚度需求映射到可编程的晶格几何结构中。设计通过OpenSCAD和Hob3l导出为STL文件，并使用Godsaid Technology的F80弹性树脂，在Halot-Mage Pro 3D打印机上进行打印。肌腱驱动装置采用Bowden电缆和Dynamixel伺服电机实现，同样通过MATLAB进行控制。

在装置中，拓扑规则被用来构建机器人的躯干。该方法通过混合体心立方（bcc）和XCube两种晶格类型来连续调整刚度，从而使躯干被分成三个部分，分别进行弯曲、扭转和螺旋运动，所有这些运动都由四个电机驱动。一个称为拓扑指数的参数控制着软区和硬区之间的过渡，使得尖端能够利用细小的薄细胞进行精细的抓取，而底部则提供结构支撑。3D打印躯干重量仅为150克，却能举起高达500克的重物，并处理直径从0.1毫米到100毫米的物体。

叠加编程被用来创建机器人腿部的刚性关节结构。这种方法将具有不同方向和平移的单元组合在一起，以产生离散的定向刚度。腿部在髋部和膝部设有主动关节，并在踝部设有被动关节，可根据地面接触进行调节。髋关节由两个电机和四条肌腱控制，可进行屈曲、伸展、外展和内收运动，而膝关节则使用单个电机。腿部可承受高达4公斤的重量，超过机器人3.89公斤的体重，并能以7.5毫米/秒的速度行走，步长约为150毫米。

△大象机器人的设计

3D打印在机械智能机器人设计中的应用

该机器人演示了向前和横向的步态，并在三足站立时保持平衡。脚部设计为前部具有较硬的格子区域，用于承重，而靠近脚跟的区域则具有较软的区域，以便贴合地面。开放式格子设计减轻了整体重量，使机器人无需改装即可在水中运行。

机械测试证实了梁厚度、单元类型和排列方式的变化如何影响刚度和各向异性。主干扭转段的旋转角度高达78.1°，而弯曲模块的旋转范围与均匀结构相比增加了30%。使用这些设计方法生成了超过一百万种独特的晶格结构，通过扩展底层几何变化，晶格结构的数量可以超过7500万种。

总的来说，这项研究提供了一种可扩展的方法，将机械智能直接嵌入机器人结构。未来的版本可能会集成传感器、流体或其它组件，从而扩展到软体机器人、假肢和轻量化系统。