上海交大谷国迎教授Science Advances：多材料3D打印技术实现“电子嵌入式”自主软体机器人

在非结构化环境中实现自主导航是机器人技术面临的核心挑战之一，尤其适用于搜救任务以及复杂工业场景中的检测与操作。软体机器人因其柔顺的材料特性，能够承受可能使刚性系统失效的意外机械扰动，因而在这些任务中具有独特优势。然而，实现自主性需要将驱动、传感、控制等功能单元无缝集成到软体结构中，这面临着复杂三维几何形状、多材料融合以及刚-柔材料间机械电气性能不匹配等诸多设计制造难题。

近期，上海交通大学谷国迎教授、王东长聘副教授提出了一个全新的设计与制造框架，旨在实现具有嵌入式驱动与传感功能的自主软体机器人。研究团队开发了一种集成了数字光处理（DLP）与直接墨水书写（DIW）的3D打印技术，能够自动化地制造具有嵌入式、共形三维电子器件的软体机器人。通过结合晶格超材料、波浪形互连和离散化印制电路板等结构设计策略，确保了器件在大变形下的机械与电气稳定性。基于该技术制造的软体机器人集成了多模态驱动、实时触觉传感、无线通信、触觉-视觉反馈及自主避障功能，为电子器件一体化的自主软体机器人发展开辟了新路径。相关论文以“Multimaterial 3D printed soft robots with embedded actuation and sensing”为题，发表在Science Advances上。

研究团队首先展示了一套集DLP与DIW于一体的3D打印系统。整个过程始于使用DLP技术打印由混合树脂构成的软体机器人基体结构，其中预留了电路通道和电子元件空腔。随后，打印平台旋转180度，将离散化的微型PCB和电子元件嵌入指定位置。接着，通过DIW工艺，将导电硅胶和电阻硅胶分别作为柔性电路和应变传感电路精确注入预留通道，实现三维共形布线。最后，平台转回，再次通过DLP打印封装层，完成整个机器人的一体化制造。该系统DLP打印的横向和纵向分辨率分别达到82微米和50微米，DIW打印硅胶线条宽度可控制在0.3至1.3毫米之间。整个制造过程仅需约30分钟，且无需后续组装。

图1. 自主软体机器人的功能与集成3D打印。 （A）软体机器人可实现远程控制、提供触觉到视觉反馈并自主导航。 （B）使用DLP工艺打印基体结构。 （C）打印平台旋转180度，使打印面朝上。 （D）将离散化的PCB和电子元件嵌入软体结构的指定空间内。 （E）DIW工艺沉积导电和电阻电路。 （F）打印平台转回，进行进一步的DLP 3D打印和封装。 （G）DIW打印中，不同气压下打印线宽与打印速度的关系。 （H）使用K867材料通过DIW制造的线宽约为320微米的晶格结构。比例尺：1毫米。 （I）DLP打印中，打印层厚度与曝光时间的关系。 （J）DLP打印的正向与负向分辨率表征。最小正向分辨率为82微米，最小负向分辨率（通道直径）为205微米。比例尺：2毫米。 （K）设计不同宽度的空腔以评估DIW与DLP方法之间的兼容性。比例尺：1毫米。

为确保软体机器人内部刚性电子元件与柔软机体在大变形下协同工作，研究团队引入了多项创新设计。他们设计了蛇形蜿蜒的导电电路以增强延展性，将PCB离散化成小块以减小应力集中，并利用晶格结构来吸收冲击能量。实验与有限元模拟表明，采用这些设计的柔性电路可承受高达40%的应变，嵌入LED的晶格电路在45%的压缩循环下仍能稳定工作，证明了其在压缩、拉伸、扭转和弯曲等多种变形下的可靠性。

图2. 软硬材料相互作用的设计。 （A和B）具有蛇形设计的两层LED电路，可适应软材料的大变形。比例尺：10毫米。 （C）PCB被离散化以减小尺寸和应力集中，并使用弯曲电路互连离散化的PCB。比例尺：10毫米。 （D）该设计在压缩、拉伸、扭转和弯曲下均能保持功能。 （E）实验和有限元模拟的拉伸应力-应变曲线显示该设计可承受高达40%的应变。 （F和G）带有嵌入式LED电路的晶格结构在压缩下仍保持功能。比例尺：10毫米。 （H）晶格LED电路在整个循环测试中表现可靠。

驱动器的结构设计是实现多模态运动的关键。该软体机器人驱动器包含两排三列的“足部”，每个足部具有不对称壁厚的三角形结构，通过施加负压可控制其向特定方向弯曲，最大弯曲角度可达45度。通过对三个独立气动通道的驱动序列进行编程控制，机器人能够实现前进、后退、左转和右转等多种运动模式。

图3. 软体驱动器的结构设计。 （A）软体驱动器由两排三列的足部组成。 （B）每个足部具有两侧厚度不同的三角形结构，可在负压下实现弯曲。 （C）不同负压下的弯曲形状实验快照，以及弯曲角度随负压的变化关系。 （D）通过独立控制三个气管的驱动序列，实现前进、后退、左转和右转运动。 （E和F）前进和右转运动过程中的实验快照。比例尺：10毫米。

感知能力方面，团队设计了一种3/4圆环形的软体触觉传感器。传感器的外壳由DLP打印，其内部的电阻式传感电路由DIW打印。当传感器不同区域（左、前、右）受到触摸时，其电阻变化会导致读取的电压信号发生特定模式的变化。这些信号通过嵌入式微控制器处理，并通过蓝牙无线传输。为提供直观反馈，研究人员还设计了一个3D打印的遥控器，其上集成的LED会根据触摸位置点亮不同颜色的灯光（左红、前绿、右蓝），实现了触觉到视觉的实时反馈。

图4. 软体传感器的设计。 （A）一种3/4圆环形的软体传感器设计。 （B）传感器有四个引脚连接到MCU模块，形成一个由三个电阻串联的简化电路。 （C）集成在3D打印遥控器中的LED会点亮不同颜色以指示触摸位置：左为红色，前为绿色，右为蓝色。 （D）不同触摸位置下U1和U2的电压读数（上图）和相对电压变化（下图）。 （E至G）分别在30秒内对左、前、右部分施加20个周期的2毫米变形，以评估传感器的可重复性。比例尺：10毫米。

通过一个指戴式无线遥控器，用户可以直观地通过手势控制机器人的运动。遥控器内置惯性测量单元，可检测手指的姿态变化，并将控制信号发送给机器人。与此同时，机器人感知到的触觉信息也能通过蓝牙回传，在遥控器上以LED灯光颜色变化的形式反馈给操作者，形成双向交互。

图5. 远程控制与触觉到视觉反馈。 （A）设计为指套的可穿戴遥控器。比例尺：10毫米。 （B）软体机器人通过蓝牙将其传感器数据传回遥控器，提供触觉到视觉反馈。比例尺：50毫米。 （C）四个基本手势——前进、后退、左、右——控制软体机器人的运动。比例尺：50毫米。 （D）在不同控制手势期间，嵌入式IMU记录的加速度和方向角。红色高亮部分表示导致遥控器变形的手指弯曲和分开动作。 （E）远程控制和触觉到视觉反馈均能正常工作（a）。机器人经历按压、拍打和拳击（b）。变形后软体机器人仍保持功能（c）。

最终，集成所有技术的软体机器人展示了其自主导航与避障能力。机器人内部集成了定制微型PCB，其上装有蓝牙模块、惯性测量单元以及三个用于测距的飞行时间传感器。依靠传感器感知环境和内置的决策逻辑，机器人在设定的迷宫场景中成功实现了自主路径规划与避障，例如在遇到障碍物时自动转向，甚至在死胡同场景中能够自主倒退并重新寻路。

图6. 自动导航。 （A）控制面板包含一个带有蓝牙模块、IMU和三个TOF传感器的定制微型PCB。比例尺：10毫米。 （B和C）不同场景下软体机器人的避障逻辑。 （D）在带有两个障碍杆的S形迷宫中自主导航。比例尺：50毫米。 （E）在带有死胡同的迷宫中自动导航。比例尺：50毫米。

这项研究通过集成化多材料3D打印与创新的结构设计，成功地将驱动、传感、电路、通信与电源等单元整体集成于小型软体机器人内部，实现了从制造、设计到功能验证的完整闭环。与传统的模具铸造和手工组装相比，该方法在精度、效率和复杂结构实现能力上具有显著优势。尽管当前机器人的尺寸受限于打印幅面，且仍部分依赖外部气动管路，但研究为未来开发更灵活、完全无缆的电子集成软体机器人奠定了坚实的技术基础。展望未来，通过采用柔性电路板、集成微型泵或利用相变机制开发无缆驱动等方式，将进一步推动此类机器人在复杂环境探索、人机交互等领域的实际应用。