上海交大如何造出感知行走的完整机器人？｜《Science Advances》

一个由柔软材料制成、仅手掌大小的六足机器人，正灵巧地在桌面上前进、转弯。它不仅能通过手势遥控，还能在遇到障碍时自主绕开，甚至能感觉到被触摸的位置。更令人惊奇的是，这个集成了传感器、电路和驱动器的复杂机器人主体，是在一台机器上一次性、无需组装打印完成的。

长期以来，制造一个功能完整的软体机器人是一项繁琐的工程：柔软的驱动结构、精密的传感器和刚性的电子电路，通常需要在不同的地方分别制作，再像拼装模型一样小心翼翼地组合起来。这个过程不仅耗时，还容易在软硬材料结合的脆弱界面处产生故障。

最近，上海交大的研究团队在《Science Advances》上发表了一项突破性研究，他们开发了一种集成化的多材料3D打印技术，能够像“一体化成型”那样，自动制造出集驱动、传感、电路和通信功能于一身的自主软体机器人。

这项技术让复杂软体机器人的制造，从精密的手工组装活，变成了高效、可靠的自动化生产过程。

▍制造困境：为何完整的软体机器人如此难造？

软体机器人因其出色的柔顺性和对复杂环境的适应性，在搜救、检测和人机交互等领域前景广阔。然而，一个能真正自主工作的软体机器人，需要将柔软的驱动结构、各类传感器、供电单元、控制电路和通信模块全部集成在一个有限的空间内。

传统的制造方法，如模具浇铸和手工组装，面临巨大挑战。

首先是工序繁琐。每个部件单独制作，再像“搭积木”一样组装，耗时且精度难以保证。

其次是界面脆弱。刚性电路板与柔软躯体结合处，在机器人反复弯曲变形时，极易因应力集中而开裂或脱落，导致电路失灵。

再就是结构受限。传统方法很难在三维空间中灵活布置电路，限制了机器人内部结构的优化和整体小型化。

如何让“软”的身体和“硬”的电子和谐共处、可靠工作，仍然是核心难题。

▍技术突破：两种3D打印合二为一，30分钟自动成型

研究团队的解决方案颇具巧思，他们不是发明一种全新的打印技术，而是将两种成熟的3D打印技术数字光处理（DLP）和直接墨水书写（DIW）融为一体，创建了一个集成的制造平台。

DLP技术擅长用光固化树脂，快速成型出结构复杂的柔软主体。DIW技术则像一支精密的“糖霜笔”，可以挤出导电或具有特殊电阻的硅胶“墨水”，从而在机器人内部直接绘制出功能性电路。

关键在于，团队通过巧妙的流程设计和机械改造，让这两种工艺在同一个制造流程中无缝切换。仅通过四个连贯步骤，即可让一个功能完整的软体机器人从无到有，一次成型：

第一步：打印躯体。先用DLP打印出机器人柔软的躯体骨架，其中已预留好电路通道和放置微型电路板的空间。

第二步：嵌入“心脏”。将平台翻转180°，把微型的控制板、蓝牙模块等电子元件精准放入预留位。

第三步：绘制“神经”。使用DIW技术，将导电硅胶“写入”预留的通道，连接各个电子元件，形成三维分布的柔性电路网络。

第四步：封装完成。再次使用DLP打印一层柔软材料，将所有内部元件封装保护起来，形成最终完整的机器人。

整个过程高度自动化，仅需约30分钟，一个重约120克、功能齐全的软体机器人便一次成型，无需任何后期焊接或组装。

自主软体机器人的功能和集成3D打印

▍设计巧思：让“软”与“硬”和谐共处的工程智慧

先进的制造工具解决了“造得出”的问题，但要确保机器人在反复弯曲、挤压下仍能可靠工作，则是一场硬仗。为此，团队针对软硬材料结合的痛点，提出了三项被实验验证的创新设计策略：

一是波浪形柔性电路。将传统的直线电路设计成如同弹簧般的双层、波浪形。当机器人躯体弯曲拉伸时，电路可以通过自身的形变来吸收应力，避免被拉断。实际测试表明，采用该设计的电路在机器人躯体经历高达40%的拉伸应变时，依然能保持电气连接畅通无阻。

二是离散化迷你印刷电路板。将一整块刚性电路板分割成多个微型模块，并通过柔性电路连接。这好比将一块易碎的大玻璃，转化为一把嵌入橡胶中的小鹅卵石，从根本上分散了机械应力，让整体结构在剧烈形变下仍保持稳定。

三是能量吸收晶格结构。在关键电子元件周围，用DLP打印出充满孔隙的晶格结构。这种结构像高级运动鞋的泡沫中底一样，能在机器人受到撞击或挤压时，有效吸收和分散冲击力，保护内部脆弱的电子元件。在严苛的45%轴向压缩循环测试中，内嵌于晶格中的LED电路始终保持功能正常。

这些设计共同作用，解决了自主软体机器人长期以来的可靠性瓶颈，让它们能够耐受现实世界中的碰撞和大幅变形。

软硬材料相互作用的设计

▍功能展示：从手势遥控到自主避障的全能选手

基于这套设计和制造方法诞生的软体机器人，展现出了令人印象深刻的多功能特性。

灵敏的“感知-反馈”系统

机器人集成了一个四分之三圆形的触觉传感器。当它的左侧、前方或右侧被触摸时，内部的柔性电阻电路会发生变化，信号被实时处理并通过蓝牙发送。研究人员甚至开发了一个戴在手指上的柔性遥控器，上面的LED灯会分别亮起红、绿、蓝光，直观地告诉操作者机器人身体的哪个部位被触碰到了，实现了触觉到视觉的反馈。

直观的手势遥控

通过手指上的柔性遥控器，操作者可以自然地用手势控制机器人：手指上抬是前进，下压是后退，左右旋转则对应机器人的左右转弯。这为人机交互提供了一种更直观、更自然的方式。

遥控和触觉到视觉反馈

真正的自主导航能力

更重要的是，这个软体机器人具备了自主决策能力。研究团队为其集成了微型飞行时间传感器和惯性测量单元。在演示中，机器人能够在无人干预的情况下，在设有障碍物和死胡同的迷宫中自主探索、决策并规划路径，成功抵达目标点。这标志着它从一个简单的遥控机器，进化为了一个能适应未知环境的自主智能体。

自动导航

▍未来展望：为下一代软体机器人打开想象空间

这项研究的价值，不仅在于制造出了一个功能出色的机器人原型，更在于它提供了一套通用的设计和制造范式，为开发更复杂、功能更强大的电子集成自主软体机器人铺平了道路。

从精密的“手工活”到高效的“一体化打印”，这项技术正在改变软体机器人的制造逻辑。它让创造那些能深入狭窄缝隙进行搜救、能在人体内安全执行医疗任务、或能在复杂工业设备中自主巡检的柔性智能机器，离现实又近了一大步。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz2928