麻省理工學(xué)院推出革命性Xstrings技術(shù)：3D打印仿生物體的新方法

2025年3月25日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室 (CSAIL)、浙江大學(xué)和清華大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新方法，可以 3D 打印出具有類似人類運(yùn)動(dòng)能力的物體。這種方法被稱為“Xstrings”，可以自動(dòng)制造可以彎曲、盤繞、擰緊和壓縮的電纜驅(qū)動(dòng)組件。

傳統(tǒng)上，此類設(shè)備很難生產(chǎn)，因?yàn)楸仨毷謩?dòng)將電纜嵌入整個(gè)物體中。然而，Xstrings 方法利用多材料 FDM 3D 打印，只需一步即可將電纜直接嵌入結(jié)構(gòu)中，無(wú)需手動(dòng)組裝。研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種數(shù)字設(shè)計(jì)工具，允許用戶生成具有所需運(yùn)動(dòng)能力的電纜驅(qū)動(dòng)組件的 3D 打印文件。

第一作者、麻省理工學(xué)院 CSAIL 博士后 Jiaji Li 將在下個(gè)月的2025 年計(jì)算機(jī)系統(tǒng)人為因素會(huì)議(CHI2025)上發(fā)表這篇題為”Xstrings: 3D Printing Cable-driven Mechanism for Actuation, Deformation, and Manipulation“新研究論文。它概述了用于驗(yàn)證 Xstrings 功能的幾項(xiàng)測(cè)試。例如，Li 的團(tuán)隊(duì)證實(shí)，3D 打印電纜在斷裂前可承受超過(guò) 60,000 次 90 度收縮。此外，生產(chǎn)速度會(huì)影響電纜質(zhì)量，在 260°C 下進(jìn)行 3D 打印時(shí)，10mm/s 和 15 mm/s 可產(chǎn)生最佳效果。據(jù) Li 介紹，Xstrings 可將總生產(chǎn)時(shí)間縮短 40%。

最終，研究人員相信，他們的新方法將為多種應(yīng)用提供價(jià)值，包括用于空間站和外星基地的纜繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人、仿生設(shè)備、可調(diào)節(jié)時(shí)裝設(shè)計(jì)和交互式藝術(shù)品裝置。

Li說(shuō)：Xstrings 軟件可以將各種想法變成現(xiàn)實(shí)。它能讓你生產(chǎn)出像人手一樣的仿生機(jī)器人設(shè)備，模仿我們自己的抓握能力。我們的創(chuàng)新方法可以幫助任何人使用桌面雙材料 3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)和制造電纜驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。”

△JiajiLi 和使用 Xstrings 方法 3D 打印的設(shè)備。照片來(lái)自 MIT CSAIL。

麻省理工學(xué)院推出新型仿生3D打印方法

纜線驅(qū)動(dòng)機(jī)制通過(guò)將線穿過(guò)分段物體來(lái)發(fā)揮作用。拉動(dòng)線會(huì)產(chǎn)生張力，導(dǎo)致物體彎曲、扭曲或折疊，具體取決于設(shè)計(jì)。這種方法經(jīng)常用于仿生學(xué)，使機(jī)器人設(shè)備能夠表現(xiàn)出擬人化的運(yùn)動(dòng)。例如，在機(jī)械手上添加纜線可以使手指彎曲和抓握物體

MIT 的 Xstrings 軟件使用Rhinoceros 8作為設(shè)計(jì)環(huán)境，使用Grasshopper作為中間計(jì)算工具。工作流程從用戶提交具有特定尺寸的設(shè)計(jì)開(kāi)始。然后，他們選擇四種運(yùn)動(dòng)“基元”之一，即彎曲、卷繞、扭曲或壓縮，以定義設(shè)備的移動(dòng)方式。用戶還可以輸入這些運(yùn)動(dòng)所需的角度。

值得注意的是，多個(gè)基元可以組合成單個(gè)設(shè)備，以解鎖更大的運(yùn)動(dòng)能力。例如，在創(chuàng)建機(jī)器人爪時(shí)，研究人員將多條電纜以并聯(lián)組合的方式集成在一起，使每根手指都可以握成拳頭。他們使用 Xstrings 方法和設(shè)計(jì)工具 3D 打印了其他幾種多材料機(jī)制。其中包括行走蜥蜴機(jī)器人、可以打開(kāi)和關(guān)閉的墻壁雕塑以及可以纏繞物體的觸手。

Xstrings 還允許用戶確定每根電纜在部件內(nèi)的固定位置。這包括選擇電纜固定的端點(diǎn)（錨點(diǎn)）、電纜穿過(guò)的孔（螺紋區(qū)域）以及拉動(dòng)電纜以操作設(shè)備的位置（暴露點(diǎn)）。例如，機(jī)器人手指可能包括指尖處的錨點(diǎn)和從手指向下延伸到另一端暴露的拉動(dòng)標(biāo)簽的電纜。  

在模擬設(shè)計(jì)后，用戶可以導(dǎo)出文件并將其發(fā)送到 FDM 3D 打印機(jī)。為了確保與任何多材料 FDM 3D 打印機(jī)兼容，研究人員選擇不為特定型號(hào)生成 G 代碼。相反，李的團(tuán)隊(duì)為各種切片軟件提供了參數(shù)設(shè)置，并使用UltiMaker S5、UltiMaker 3 和Bambu Lab X1 3D 打印了他們的 Xstrings 測(cè)試設(shè)備。他們用 PLA 制作了每個(gè)設(shè)備的主體，并使用尼龍絲作為電纜。

麻省理工學(xué)院的新工藝只需一步即可制造出功能部件，只需放置水平電纜并在周圍進(jìn)行打印。到目前為止，這種方法已用于生產(chǎn)具有剛性外部和柔軟、靈活的內(nèi)部的部件。未來(lái)，研究人員的目標(biāo)是通過(guò) 3D 打印具有柔軟外部和剛性內(nèi)部的設(shè)備來(lái)逆轉(zhuǎn)這種結(jié)構(gòu)，模仿人類的皮膚和骨骼。他們還計(jì)劃探索更耐用的電纜，并嘗試以不同角度或垂直方式嵌入它們。

李與浙江大學(xué)碩士生馮姝悅和清華大學(xué)劉宇佳共同撰寫了這篇論文。浙江大學(xué)助理教授、前麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室客座研究員王冠云也做出了貢獻(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)包括三名 CSAIL 成員：麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)博士生 MaxinePerroni-Scharf 和客座研究員 Emily Guan。資深作者 Stefanie Mueller 是麻省理工學(xué)院電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)和機(jī)械工程專業(yè)的TIBCO 職業(yè)發(fā)展副教授。

△Xstrings3D 打印的線纜驅(qū)動(dòng)手指。圖片來(lái)自 MIT CSAIL。

3D打印仿生學(xué)

3D 打印越來(lái)越多地被應(yīng)用于制造仿生設(shè)備，特別是假肢應(yīng)用。本月初，約翰霍普金斯大學(xué)、佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的研究人員開(kāi)發(fā)出一種模仿人類觸覺(jué)的3D 打印假手。這款新產(chǎn)品兼具剛性和靈活性，握力強(qiáng)到可以穩(wěn)固地握住水瓶，靈巧到可以拿起易碎的塑料杯而不會(huì)損壞它。

△受人類手部啟發(fā)而開(kāi)發(fā)的具有神經(jīng)形態(tài)觸覺(jué)感應(yīng)功能的混合機(jī)械手。圖片來(lái)自 JHU。

混合機(jī)器人手指具有三個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的軟關(guān)節(jié)，這些軟關(guān)節(jié)由化學(xué)制造公司Smooth-On的Dragon Skin 10 硅膠制成。它們由用 PLA 3D 打印的剛性骨架結(jié)構(gòu)支撐。據(jù)報(bào)道，分析和測(cè)試表明，每個(gè)混合機(jī)器人手指在僅 7 psi 的驅(qū)動(dòng)壓力下即可實(shí)現(xiàn) 130° 的曲率和 208° 的屈曲角度。這比需要更高壓力的純軟機(jī)器人手指更有效率。事實(shí)上，在測(cè)試過(guò)程中，混合手指表現(xiàn)出的抓握力是軟機(jī)器人替代品的三倍多。

去年，英國(guó)機(jī)器人公司Open Bionics宣布，一名來(lái)自倫敦的手部截肢者首次采用了他們的3D 打印手指裝置。這款名為Hero Gauntlet 的假肢可幫助患有先天性或后天性部分手部肢體缺陷的人恢復(fù)手部功能。Open Bionics 使用 3D 掃描和增材制造技術(shù)定制每臺(tái)設(shè)備。用戶通過(guò)彎曲手腕來(lái)控制抓握動(dòng)作。

另一則新聞是，美國(guó)假肢制造商Psyonic使用Formlabs 的Form 3 立體光刻 (SLA) 3D 打印機(jī)開(kāi)發(fā)了3D 打印仿生手。開(kāi)發(fā)過(guò)程包括快速原型設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)迭代和最終用途部件的小批量生產(chǎn)。Ability Hand重量?jī)H為 490 克。它的拇指可以電動(dòng)和手動(dòng)旋轉(zhuǎn)，而所有五個(gè)手指都可以彎曲以提供完整的手部功能。