登顶 TRO！北大团队提出可编程织物堆叠技术实现多功能一体成型！

受自然界生物启发，软体机器人凭借其柔性材料和柔顺结构，在适应非结构化环境及人机安全交互方面展现出巨大潜力。然而其制造过程一直面临重大挑战。

目前的主流方法如硅胶浇注造依赖手工操作、重复性差；3D打印弹性材料则存在刚度高、变形受限和后处理繁琐等问题。更重要的是，现有软机器人多为多为单一功能载体，若要实现多功能集成，通常需分别制造各个多个驱动器模块并手工组装，不仅流程复杂和效率低下，还易因组装误差影响整体性能。

织物因轻质、柔性等优势被用于软体机器人制造，但现有技术多将其作为应变限制层或弹性气囊外套，缺乏可编程的整体制造方案，难以构建复杂流体腔室实现多样变形。现有热压等工艺多限于二维双层或多层堆叠，虽能实现拉伸、弯曲或集成部分功能，但普遍变形能力有限，且仍需手工组装部件，限制了功能集成与整体性能。

▍提出新型制造方法，突破传统制造局限

针对当前软体机器人制造中存在的流程复杂、功能单一等问题，来自北京大学先进制造与机器人学院智能仿生设计实验室谢广明团队，在国家自然科学基金、北京自然科学基金等项目支持下开展了系统研究，提出了一种基于整体可编程织物堆叠的新型制造方法，并成功研制出一系列具备多种功能的仿生软体机器人。

图1 可编程织物堆叠方法制造多功能软体机器人

研究团队所提出的整体可编程织物堆叠制造方法，能够一体成型具备多模态运动与多种操控能力的功能化机器人。该方法充分发挥激光切割与3D打印技术的高精度和可重复性优势，最大限度减少了对人工操作的依赖，并提高了制造过程的一致性与可扩展性。为验证所提出制造方法的能力，研究团队首先设计并制备了拉伸、弯曲和螺旋执行器三种基本执行器，并对其进行了定量测试与理论建模。进一步，研究团队通过编程定义每层织物的轮廓与粘合路径，成功构建了一系列多功能软体机器人实例，展示了该方法的广泛适用性，这些机器人包括：集成拉伸、弯曲与扭转运动的软体操作臂、具备四种不同运动模式的两栖机器人，以及能实现游动、抓取和运输功能的无缆软体机器鱼。值得注意的是，所有这些机器人均通过一体化制造完成，无需后续手动组装执行器模块，充分体现了该方法的高效性与便捷性。

作为该团队早前开发的具有多运动模态软体两栖机器人的进一步拓展（https://ieeexplore.ieee.org/document/10418499），本研究将层叠制造技术从二维平面推进至三维空间。通过“织物轮廓+粘连路径”的多层编程组合设计，实现了对充气驱动下机器人复杂三维变形行为的精确调控。该技术突破了传统软体机器人制造流程繁琐、功能受限等关键瓶颈，为快速、高效、多功能一体化的软体机器人制造提供了新思路与技术途径。

该研究的相关论文成果已于近期以“Monolithic Programmable Fabric-Stacking Enables Multifunctional Soft Robots”为题在国际期刊《IEEE Transactions on Robotics》（TRO）上进行发表。论文第一作者为谢广明教授团队的博士生吴家汐，郑州大学副研究员武明信和北京大学软件工程国家工程研究中心副研究员王晨为共同作者。

基于整体可编程织物堆叠的新型制造方法解析

研究团队研发出“整体可编程织物堆叠”制造方法，核心在于通过编程定义每层织物轮廓和粘连路径，结合激光切割与3D打印实现机器人整体制造。

在材料选择上，研究团队采用了热塑性聚氨酯（TPU）双面涂层尼龙编织织物作为制造多功能机器人的唯一材料，利用高温热塑实现层间牢固粘接。

图2 可编程织物堆叠驱动器形态

制造过程中，研究团队先通过激光切割将每层织物按预设图案进行精确轮廓切割；随后，将织物依次放置放置在桌面3D打印机的打印平台上，控制加热的挤出机头沿编程路径移动，利用TPU的热塑性使其与下层织物熔合。

通过逐层堆叠与粘合，所有织物层最终形成一个整体结构。去除支撑材料并进行充气后，即可获得无需手工组装、具有多个互联气囊的一体化机器人。为实现高质量粘合，挤出头需对织物施加适当压力，因此粘合路径必须设置在实心织物区域，避免悬空位置。这一点与熔融长丝制造（FFF）3D打印中使用支撑结构处理悬垂部分的策略类似。但由于TPU等软材料在作为支撑时难以剥离（易与主体结构融合），研究团队提出一种受邮票边缘启发的设计：利用激光切割机在每层织物上以虚线切割出气囊轮廓与支撑部分的边界。全部粘连完成后，支撑部分可沿预切虚线轻松剥离，仅保留完整的气囊结构。此外，在激光切割阶段即在织物相应位置加工圆孔，使得相邻气囊在粘合后能够相互连通，形成统一气室。

总的来说，在整个制造过程中，激光切割保障了织物形状的精度，3D打印的粘合连径则决定了机器人的变形行为，二者结合使机器人具备预设形态与功能。如图2所示，通过调控层间粘连路径，可实现伸长、弯曲和螺旋三种基本驱动形态。研究团队进一步建立了相关模型，分析并构建了设计尺寸、体积与形变之间的关系，实现了对驱动形态的预测，为后续机器人设计提供了理论基础与设计依据。

▍三种多形态功能一体式软体机器人构建

利用基于整体可编程织物堆叠的新型制造方法，研究团队成功研制出三款多功能软体机器人，包括大范围软体操作臂、软体两栖机器人和无缆软体机器鱼。这些机器人在性能与功能集成方面展现出显著优势，具有广泛的应用潜力。

• 大范围软体操作臂

该操作手臂由40层织物堆叠制成，初始高度仅为8 mm，充气后可延伸至243 mm，伸缩比高达2941%，性能远超同类操作臂。末端集成具备伸缩、弯曲和扭转功能的三指夹持器，单指最大弯曲角度达110.3°，并可实现±74.6°的扭转。能够完成远距离抓取球体、高处与低处玻璃擦拭、以及拧卸灯泡等精细操作。

图3 大范围软体操作臂

• 多模态水陆两栖机器人

该机器人可通过调节充气量自适应改变身体形态，实现龟式爬行（0.54BL/s）、狗式行走（0.56BL/s）、蛙式跳跃（0.95BL/s）和鱼式游动（0.57BL/s）四种步态。在测试中，它可拱起身体穿越碎石地面，收缩身体通过宽度仅为80 mm的狭窄缝隙，最后膨胀身体跃入水中游动，展现出极强的复杂环境适应能力。

图4 多模态水陆两栖机器人

• 无缆软体机器鱼

该机器鱼集成了游动与抓取功能，采用机身-电路-气动一体化封装设计，内置微型气泵、控制电路和锂电池。其流线型身体采用双气室拮抗驱动单元实现尾部摆动，有缆状态下最大游速为1.04 BL/s，无缆状态下为0.67 BL/s。鱼嘴部分由两个弯曲单元组成，充气闭合时可产生21.4 N的最大抓取力，能够完成水下物体搬运任务。

图5 无缆软体机器鱼

值得一提的是，该机器鱼还能与真实鱼群互动，引导鱼群形成有序队列，为生物交互研究提供新工具。

参考文章：

https://ieeexplore.ieee.org/document/11097364