低成本 3D 打印机器人无需电子设备即可运行

在机器人制造领域，制造出可以直接下线的机器的梦想仍需多年时间才能实现，或者至少曾经如此。加州大学的一支研究团队最近公布了一种无需电力、可直接从打印机上打印的全新制造方法和机器人设计，震惊了市场。以下是您需要了解的信息 3D打印 机器人。

机器人是如何制造的？探索现代机器人制造技术

机器人的类型很多，制造这些设备的方法也更多。传统机器人可以在装配线上制造，可能需要很多步骤才能组装和启动。例如，您可能让一家制造商生产机身，而其他制造商则生产电子元件、电池、控制器和其他核心部件。

什么是软机器人？ 优点和实际用途

软体机器人 软机器人是另一种摒弃了传统机器人的刚性外骨骼的机器。相反，软机器人利用硅胶等替代材料和可改变形状的设计。软机器人的主要优点是它们支持操控、可以穿越复杂环境，并提供与人类的安全互动。

带有流体回路的 3D 打印软机器人的进展

对软体机器人的需求推动了多项制造工艺的升级。3D打印技术的最新突破使工程师能够设计出单次运行即可实现更高性能的软体机器人。当今最先进的软体机器人制造方法降低了软体机器人的复杂性。

为了完成这项任务，使用了利用非线性材料响应的气动回路。使用流体控制电路使工程师能够在一个位置制造更多设备。值得注意的是，该项目的工程师在其他工作中也发挥了关键作用，包括创建带有嵌入式控制电路的 3D 打印机器人夹持器和履带。

3D 打印和组装软机器人的挑战

软体机器人制造业仍然面临诸多问题。首先，铸造成型系统虽然可以制造零件，但控制这些单元仍然需要额外的组件。此外，铸造成型系统成本高昂，劳动密集，而且大多数人难以获得。

在许多情况下，泵、阀门和其他电子设备组成的复杂系统必须通过电线连接到单独的电路板上的主体，才能实现任何形式的受控运动。靴子需要被拴住，这消除了它的优势，并限制了其软机器人能力，例如在狭小空间或环境中导航。

新研究揭示完全 3D 打印、无电子设备的步行机器人

研究 ”自主行走机器人的单片桌面数字化制造“¹ 发表在《先进智能系统》杂志上的一篇文章介绍了工程师们如何开发出一款完全 3D 打印、无电子设备的六足机器人，该机器人打印后即可行走。更令人印象深刻的是，该设备仅由恒定气压源供电。

这项研究具有革命性，原因有多种。首先，它详细解释了工程师如何克服 3D 打印封闭阀门的挑战。在报告中，该团队利用气动相位延迟阀的对称振荡成功实现了打印机外机器人运动。

桌面 3D 打印机如何实现功能齐全的软体机器人

值得注意的是，工程师们使用了市售的现成3D桌面打印机，以极少的人力投入创建具有复杂几何形状的软组件。工程师们研究了多种材料。他们甚至通过巴斯夫公司的加州研究联盟（CARA）与其合作，测试哪种材料最适合制造该团队六足机器人的框架、人造肌肉和控制系统。

来源：加州大学圣地亚哥分校

3D 打印步行机器人，打印完成后可直接运行

该团队打印的步行机器人无需任何电子元件即可自行行走。它依靠压缩空气和基于压力变化而开闭的阀门网络来移动六条腿。值得注意的是，该团队的发明可以不受束缚地穿越崎岖地形，仅使用一个压缩气筒作为动力源。

机器人腿

这款现成机器人的独特之处之一是其腿部设计。六条腿采用市售的 3D 打印线材打印而成。每条腿都集成了柔软、可打印、对抗性气动执行器。这种设置为每个支出提供了四个运动自由度。每条腿都可以上下、向前和向后移动。

要实现行走动作，腿部需要与某种形式的加压空气或流体连接。在恒定压力下，一组腿部会向下弯曲，将身体抬高，帮助机器人越过崎岖的地形。与此同时，另一组腿部会略微抬起。然后，最后一组腿部向下向后弯曲，形成向前推动的动作。这会导致前腿向下弯曲，完成一个步进循环。

软执行器

值得注意的是，该设备能够完成这项任务，得益于机器人体内集成了嵌入式流体回路。打印这些设备比你想象的要困难得多。工程师们必须付出相当大的努力来确定打印这些密封部件（如执行器、阀门和传感器）的最佳方法。

气动振荡回路

这款下一代软机器人设计的核心是可打印的流体振荡器电路。该电路产生四个循环输出压力信号，这至关重要。令人印象深刻的是，工程师们创造了它，仅使用一个压力输入即可完成这项任务。

他们确定，单片 3D 打印四相双稳态振荡阀是最佳解决方案。他们定制的振荡阀在一个工作周期内集成了六种状态。为了完成这项任务，它利用内膜和阀通道的机械运动来操纵阈值，从而通过逐渐的压力变化产生状态变化。

当压力达到极限时，每个阀门都会将气流引导至下一阶段。有趣的是，当被问及该团队是如何想出这个概念时，他们回答说，该设计灵感来自早期的蒸汽机车。

3D 打印机器人的耐用性如何？测试结果揭晓

软机器人的实验室测试阶段始于露天监测过程。在此步骤中，机器人被抬起，并施加气压。然后，团队记录了机器人的确切动作以及如果机器人在地面上，这些动作将如何影响运动。在记录了腿部在空中的运动后，团队能够调整设计以创建独特的行走模式。

下一个测试是查看机器人在仅靠气压的情况下如何运作。该团队使用一个 16 克的二氧化碳气瓶和一个设置为 2 psi 的机械调节器测试了机器人在没有电子设备的情况下的运行。他们指出，他们可以从这个设置中获得大约 20 秒的运行时间。

寿命测试

接下来，通过生命周期测试耐久性。团队专注于测试单个阀门以获得最详细的信息。作为测试的一部分，施加恒定压力并记录其影响。他们注意到，振荡阀在完全失效之前运行了 19,809 个周期。

3D 打印机器人测试结果

实验室测试结果令人印象深刻。首先，该团队制造的机器人可以穿越各种地形。该机器人成功穿越了草皮、沙地和各种其他困难地形，包括水下。

有趣的是，在光滑表面试验中，该机器人以每秒 85 厘米的速度在 21 秒内行走了 4 厘米。测试表明，腿部的抬升动作是其迈步的第一个序列，有助于机器人获得足够的升力以穿越崎岖的环境。

耐久性测试表明，该设备可以连续三天不间断运行。此外，该团队发现该设计的主要弱点是振荡阀中的四个膜片。这一发现并不令人意外，因为这些是系统内承受最大气压、重复力和偏转的部件。

无需电子设备的 3D 打印软机器人的优势

3D 打印机器人研究提供了多种好处。首先，这些设备可以使用常规桌面 3D 解决方案打印。这种方法意味着这些设备很容易被普通人或企业使用。它们从打印机上取下即可使用，无需人工干预或打印后清理即可运行。

为什么说无需电子设备的 3D 打印机器人能够改变游戏规则

该项目最酷的方面之一无疑是决定消除对电子设备的需求。这些靴子无需电子设备即可运行，这意味着它们是不适合电子设备的环境的明显解决方案。

太空科学研究，或高辐射或高磁场区域，是这些设备大显身手的典型例子。此外，由于高压限制，水下环境对传统电子产品来说一直很棘手。

低成本机器人：3D 打印如何让机器人更便宜

这项研究为打印超低成本机器人打开了大门。该团队工程师制造的设备成本约为 20 美元。虽然它可能只能行走，但未来的设计可以帮助您完成核心任务，而无需增加电费或制造成本。

3D 打印机器人：实际用途及预期应用时间

无电子设备机器人有多种应用。这些设备可以用于对敌对或危险区域进行重要监视。这种方法的优点是可以将打印机放在现场，并在现场创建机器人。这种策略将使运输更加方便。

软体机器人研究中包含的数据可能导致在传统电子设备出现故障的环境中快速部署低成本、弹性的装置，例如辐射强的地区、灾区甚至其他星球。鉴于设计的简单性和可负担性，实际应用可能会在未来 3 到 5 年内出现。​

见见无电子设备 3D 打印机器人背后的团队

这项 3D 打印机器人研究由加州大学圣地亚哥分校主办。主要作者包括 Yichen Zhai、Jiayao Yan 和 Michael T. Tolley。该论文还列出了 Albert De Boer、Martin Faber、Rohini Gupta 和 BASF 加州研究联盟对该工作的贡献。此外，该研究部分由美国国家科学基金会资助。

值得注意的是，该团队在软机器人技术开发中发挥了关键作用。该团队于 2022 年推出了一款无电子设备的机器人夹持器。这一经验帮助他们创造了下一代无电子设备。现在，他们的目标是找到在内部移动压缩气体储存的方法，并研究更多可生物降解的材料。

推动 3D 打印和软机器人技术发展的顶尖公司

机器人在家庭和商业领域的应用日益增多。因此，市场对机器人的需求强劲，想要占据主导地位至关重要。值得注意的是，机器人和3D打印市场拥有众多关键参与者。这些公司已投入数十亿美元进行研发，以打造功能齐全的下一代设备。以下是一家持续创新、不断创新的公司。

3D系统公司

3D系统公司 (DDD -2.9％) 该公司于 1986 年进入市场，总部位于加利福尼亚州。其最初的目标是为商业客户提供下一代 3D 打印服务。作为 3D 打印领域的先驱，该公司在航空航天、汽车、医疗保健、娱乐和工业市场的原型设计和其他关键部件方面发挥着重要作用。

如今，3D Systems 处于先进增材制造技术的前沿，包括机器人应用。该公司拥有 1,925 名员工，488 年营收为 2023 亿美元。此外，该公司与戴姆勒巴士公司签署了战略合作伙伴关系，以提供可制造备件的本地 3D 打印机。

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3D打印机器人

这些进步代表了软体机器人技术发展的又一步进步。通过消除对电子设备的需求并直接在桌面 3D 打印机上实现全部功能，这项研究为在传统机器人无法胜任的环境中制造价格合理、弹性强且可部署的机器铺平了道路。随着开发的继续，从灾难救援到太空探索，其潜在应用是巨大且鼓舞人心的。向这些工程师致以最崇高的敬意，他们的辛勤工作和努力可能会改变机器人行业的发展方向。

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参考研究：

^{1. Zhai, Y.、Yan, J.、De Boer, A.、Faber, M.、Gupta, R. 和 Tolley, MT (2025)。 自主行走机器人的单片桌面数字化制造. 先进的智能系统。 https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}