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

長期以來，制造一個功能完整的軟體機器人是一項繁瑣的工程：柔軟的驅(qū)動結(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。這個過程不僅耗時，還容易在軟硬材料結(jié)合的脆弱界面處產(chǎn)生故障。

最近，上海交大的研究團隊在《Science Advances》上發(fā)表了一項突破性研究，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，自動制造出集驅(qū)動、傳感、電路和通信功能于一身的自主軟體機器人。

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

制造困境：為何完整的軟體機器人如此難造？

軟體機器人因其出色的柔順性和對復雜環(huán)境的適應性，在搜救、檢測和人機交互等領(lǐng)域前景廣闊。然而，一個能真正自主工作的軟體機器人，需要將柔軟的驅(qū)動結(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。每個部件單獨制作，再像“搭積木”一樣組裝，耗時且精度難以保證。

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

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分鐘自動成型

研究團隊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)建了一個集成的制造平臺。

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

關(guān)鍵在于，團隊通過巧妙的流程設(shè)計和機械改造，讓這兩種工藝在同一個制造流程中無縫切換。僅通過四個連貫步驟，即可讓一個功能完整的軟體機器人從無到有，一次成型：

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

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

第三步：繪制“神經(jīng)”。使用DIW技術(shù)，將導電硅膠“寫入”預留的通道，連接各個電子元件，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)部元件封裝保護起來，形成最終完整的機器人。

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

自主軟體機器人的功能和集成3D打印

設(shè)計巧思：讓“軟”與“硬”和諧共處的工程智慧

先進的制造工具解決了“造得出”的問題，但要確保機器人在反復彎曲、擠壓下仍能可靠工作，則是一場硬仗。為此，團隊針對軟硬材料結(jié)合的痛點，提出了三項被實驗驗證的創(chuàng)新設(shè)計策略：

一是波浪形柔性電路。將傳統(tǒng)的直線電路設(shè)計成如同彈簧般的雙層、波浪形。當機器人軀體彎曲拉伸時，電路可以通過自身的形變來吸收應力，避免被拉斷。實際測試表明，采用該設(shè)計的電路在機器人軀體經(jīng)歷高達40%的拉伸應變時，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，從根本上分散了機械應力，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)像高級運動鞋的泡沫中底一樣，能在機器人受到撞擊或擠壓時，有效吸收和分散沖擊力，保護內(nèi)部脆弱的電子元件。在嚴苛的45%軸向壓縮循環(huán)測試中，內(nèi)嵌于晶格中的LED電路始終保持功能正常。

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

軟硬材料相互作用的設(shè)計

功能展示：從手勢遙控到自主避障的全能選手

基于這套設(shè)計和制造方法誕生的軟體機器人，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)

機器人集成了一個四分之三圓形的觸覺傳感器。當它的左側(cè)、前方或右側(cè)被觸摸時，內(nèi)部的柔性電阻電路會發(fā)生變化，信號被實時處理并通過藍牙發(fā)送。研究人員甚至開發(fā)了一個戴在手指上的柔性遙控器，上面的LED燈會分別亮起紅、綠、藍光，直觀地告訴操作者機器人身體的哪個部位被觸碰到了，實現(xiàn)了觸覺到視覺的反饋。

直觀的手勢遙控

通過手指上的柔性遙控器，操作者可以自然地用手勢控制機器人：手指上抬是前進，下壓是后退，左右旋轉(zhuǎn)則對應機器人的左右轉(zhuǎn)彎。這為人機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

真正的自主導航能力

更重要的是，這個軟體機器人具備了自主決策能力。研究團隊為其集成了微型飛行時間傳感器和慣性測量單元。在演示中，機器人能夠在無人干預的情況下，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，成功抵達目標點。這標志著它從一個簡單的遙控機器，進化為了一個能適應未知環(huán)境的自主智能體。

自動導航

未來展望：為下一代軟體機器人打開想象空間

這項研究的價值，不僅在于制造出了一個功能出色的機器人原型，更在于它提供了一套通用的設(shè)計和制造范式，為開發(fā)更復雜、功能更強大的電子集成自主軟體機器人鋪平了道路。

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

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