3D打印仿生物体的新方法，革命性Xstrings技术，麻省理工、浙江大学和清华大学

2025年3月25日，南极熊获悉，麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室 (CSAIL)、浙江大学和清华大学的研究人员开发出一种新方法，可以 3D 打印出具有类似人类运动能力的物体。这种方法被称为“Xstrings”，可以自动制造可以弯曲、盘绕、拧紧和压缩的电缆驱动组件。

△JiajiLi 和使用 Xstrings 方法 3D 打印的设备。照片来自 MIT CSAIL。

传统上，此类设备很难生产，因为必须手动将电缆嵌入整个物体中。然而，Xstrings 方法利用多材料 FDM 3D 打印，只需一步即可将电缆直接嵌入结构中，无需手动组装。研究团队还开发了一种数字设计工具，允许用户生成具有所需运动能力的电缆驱动组件的 3D 打印文件。

第一作者、麻省理工学院 CSAIL 博士后 Jiaji Li 将在下个月的2025 年计算机系统人为因素会议(CHI2025)上发表这篇题为”Xstrings: 3D Printing Cable-driven Mechanism for Actuation, Deformation, and Manipulation“新研究论文。它概述了用于验证 Xstrings 功能的几项测试。例如，Li 的团队证实，3D 打印电缆在断裂前可承受超过 60,000 次 90 度收缩。此外，生产速度会影响电缆质量，在 260°C 下进行 3D 打印时，10mm/s 和 15 mm/s 可产生最佳效果。据 Li 介绍，Xstrings 可将总生产时间缩短 40%。

最终，研究人员相信，他们的新方法将为多种应用提供价值，包括用于空间站和外星基地的缆绳驱动机器人、仿生设备、可调节时装设计和交互式艺术品装置。

Li说：Xstrings 软件可以将各种想法变成现实。它能让你生产出像人手一样的仿生机器人设备，模仿我们自己的抓握能力。我们的创新方法可以帮助任何人使用桌面双材料 3D 打印机设计和制造电缆驱动产品。”

麻省理工学院推出新型仿生3D打印方法

缆线驱动机制通过将线穿过分段物体来发挥作用。拉动线会产生张力，导致物体弯曲、扭曲或折叠，具体取决于设计。这种方法经常用于仿生学，使机器人设备能够表现出拟人化的运动。例如，在机械手上添加缆线可以使手指弯曲和抓握物体

MIT 的 Xstrings 软件使用Rhinoceros 8作为设计环境，使用Grasshopper作为中间计算工具。工作流程从用户提交具有特定尺寸的设计开始。然后，他们选择四种运动“基元”之一，即弯曲、卷绕、扭曲或压缩，以定义设备的移动方式。用户还可以输入这些运动所需的角度。

值得注意的是，多个基元可以组合成单个设备，以解锁更大的运动能力。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，使每根手指都可以握成拳头。他们使用 Xstrings 方法和设计工具 3D 打印了其他几种多材料机制。其中包括行走蜥蜴机器人、可以打开和关闭的墙壁雕塑以及可以缠绕物体的触手。

Xstrings 还允许用户确定每根电缆在部件内的固定位置。这包括选择电缆固定的端点（锚点）、电缆穿过的孔（螺纹区域）以及拉动电缆以操作设备的位置（暴露点）。例如，机器人手指可能包括指尖处的锚点和从手指向下延伸到另一端暴露的拉动标签的电缆。

在模拟设计后，用户可以导出文件并将其发送到 FDM 3D 打印机。为了确保与任何多材料 FDM 3D 打印机兼容，研究人员选择不为特定型号生成 G 代码。相反，李的团队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 打印了他们的 Xstrings 测试设备。他们用 PLA 制作了每个设备的主体，并使用尼龙丝作为电缆。

麻省理工学院的新工艺只需一步即可制造出功能部件，只需放置水平电缆并在周围进行打印。到目前为止，这种方法已用于生产具有刚性外部和柔软、灵活的内部的部件。未来，研究人员的目标是通过 3D 打印具有柔软外部和刚性内部的设备来逆转这种结构，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它们。

李与浙江大学硕士生冯姝悦和清华大学刘宇佳共同撰写了这篇论文。浙江大学助理教授、前麻省理工学院媒体实验室客座研究员王冠云也做出了贡献。研究团队包括三名 CSAIL 成员：麻省理工学院电气工程和计算机科学博士生 MaxinePerroni-Scharf 和客座研究员 Emily Guan。资深作者 Stefanie Mueller 是麻省理工学院电气工程、计算机科学和机械工程专业的TIBCO 职业发展副教授。

△Xstrings3D 打印的线缆驱动手指。图片来自 MIT CSAIL。

3D打印仿生学

3D 打印越来越多地被应用于制造仿生设备，特别是假肢应用。本月初，约翰霍普金斯大学、佛罗里达大西洋大学和伊利诺伊大学芝加哥分校的研究人员开发出一种模仿人类触觉的3D 打印假手。这款新产品兼具刚性和灵活性，握力强到可以稳固地握住水瓶，灵巧到可以拿起易碎的塑料杯而不会损坏它。

△受人类手部启发而开发的具有神经形态触觉感应功能的混合机械手。图片来自 JHU。

混合机器人手指具有三个独立驱动的软关节，这些软关节由化学制造公司Smooth-On的Dragon Skin 10 硅胶制成。它们由用 PLA 3D 打印的刚性骨架结构支撑。据报道，分析和测试表明，每个混合机器人手指在仅 7 psi 的驱动压力下即可实现 130° 的曲率和 208° 的屈曲角度。这比需要更高压力的纯软机器人手指更有效率。事实上，在测试过程中，混合手指表现出的抓握力是软机器人替代品的三倍多。

去年，英国机器人公司Open Bionics宣布，一名来自伦敦的手部截肢者首次采用了他们的3D 打印手指装置。这款名为Hero Gauntlet 的假肢可帮助患有先天性或后天性部分手部肢体缺陷的人恢复手部功能。Open Bionics 使用 3D 扫描和增材制造技术定制每台设备。用户通过弯曲手腕来控制抓握动作。

另一则新闻是，美国假肢制造商Psyonic使用Formlabs 的Form 3 立体光刻 (SLA) 3D 打印机开发了3D 打印仿生手。开发过程包括快速原型设计、设计迭代和最终用途部件的小批量生产。Ability Hand重量仅为 490 克。它的拇指可以电动和手动旋转，而所有五个手指都可以弯曲以提供完整的手部功能。

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