可編程晶格結構打印出多種生物組織

科技日報北京7月20日電 （記者張夢然）瑞士洛桑聯邦理工學院團隊開發出一種3D打印的可編程晶格結構，能夠使用單一泡沫材料打印出多種生物組織，從柔軟的肌肉到堅硬的骨骼均可實現。這一成果發表在最新一期《科學進展》雜誌上，為仿生機器人設計開闢了全新路徑。

自然界中，動物的複雜運動依賴於軟硬組織的協同作用。例如獵豹的高速奔跑、蛇的靈活爬行，以及人類手部的精細抓握，都離不開肌肉、肌腱、韌帶與骨骼之間的無縫配合。這些組織共同提供了運動所需的能量、精確度和活動範圍。然而，在機器人領域複製這種生物組織的多樣性一直是一項巨大挑戰。

目前，多材料3D打印技術雖然能夠在一定程度上模擬生物組織的多樣性，但這種方法在控制剛度和承重能力方面存在侷限，難以在整個結構中實現連續調控。此次開發的新型可編程晶格結構，成功將生物組織的多樣性與機器人的精確控制相結合。

該晶格由一種簡單的泡沫材料構成，其基本單元可以被編程為多種形狀和位置。每個單元擁有超過100萬種可能的配置，並且可以組合使用，從而產生幾乎無限的幾何變化。團隊利用這種技術，製造了一個仿生大象機器人。它擁有柔軟可扭曲的軀幹，以及更加堅硬的髖關節、膝關節和足部結構，展現出高度的靈活性與結構的穩定性。

晶格結構的核心在於兩種主要單元類型：體心立方單元和X-cube單元。當它們被用於3D打印“機器人組織”時，可以分別呈現出不同的剛度、變形能力和承重特性，並支持無限種組合方式。例如，一個由4個疊加單元組成的晶格立方體可產生約400萬種配置，而5個單元則可產生超過7500萬種配置。

這種能力特別適用於模仿象鼻等肌肉器官的複雜結構。在大象機器人模型中，這種雙重編程功能使得大象軀幹的複雜動作得以再現，同時還可保持各部分之間的平滑過渡。

這為未來機器人研究提供了廣闊空間。晶格結構具有優異的強度—重量比，類似於蜂窩結構，能夠製造出輕便高效的機器人。其開放式泡沫設計也適合在流體環境中運動，賦予結構更多智能化功能。

【總編輯圈點】

在自然界中，許多生物通過巧妙結合剛性結構和柔性組織，實現了高效的運動、適應性和生存能力。這些生物策略為仿生機器人的設計提供了啓發。然而，傳統機器人受限於材料剛性和驅動方式，難以模擬自然生物“剛柔並濟”的特性。正因如此，我們在很多場景見到的機器人都是硬邦邦的，“剛柔並濟”的機器人比較少見。最新研究成果利用常見的泡沫材料，3D打印出可編程、可組合的多樣化生物組織，為研發“剛柔並濟”的仿生機器人提供了一種解決方案。