这台3D打印机可以观察自己制造物体

借助 3D 喷墨打印系统，工程师可以制造具有软性和刚性组件的混合结构，例如机器人抓手，这些夹持器足够坚固，可以抓取重物，但又足够柔软，可以安全地与人类互动。

这些多材料 3D 打印系统利用数千个喷嘴沉积微小的树脂液滴，这些树脂液滴用刮刀或滚筒平滑，并用紫外线固化。但是，平滑过程可能会压扁或涂抹固化缓慢的树脂，从而限制可以使用的材料类型。

来自麻省理工学院、麻省理工学院衍生公司 Inkbit 和苏黎世联邦理工学院的研究人员开发了一种新的 3D 喷墨打印系统，该系统适用于更广泛的材料。他们的打印机利用计算机视觉自动扫描 3D 打印表面并实时调整每个喷嘴沉积的树脂量，以确保没有区域的材料过多或过少。

由于它不需要机械部件来平滑树脂，因此这种非接触式系统使用的材料固化速度比传统上用于 3D 打印的丙烯酸酯更慢。与丙烯酸酯相比，一些固化速度较慢的材料化学成分可以提供更好的性能，例如更高的弹性、耐用性或使用寿命。

此外，自动系统在不停止或减慢打印过程的情况下进行调整，使这款生产级打印机比同类 3D 喷墨打印系统快约 660 倍。

研究人员使用这台打印机创建了复杂的机器人设备，这些设备结合了软质和刚性材料。例如，他们制造了一个完全3D打印的机器人抓手，形状像人手，并由一组加固但灵活的肌腱控制。

“我们在这里的主要见解是开发一个机器视觉系统和完全主动的反馈回路。这几乎就像赋予打印机一双眼睛和一个大脑，眼睛观察正在打印的内容，然后机器的大脑指导它接下来应该打印什么，“共同通讯作者Wojciech Matusik说，他是麻省理工学院电气工程和计算机科学教授，他领导麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室（CSAIL）的计算设计和制造小组。

他与主要作者Thomas Buchner一起撰写了这篇论文，他是苏黎世联邦理工学院的博士生，共同通讯作者Robert Katzschmann博士，18岁，机器人助理教授，领导苏黎世联邦理工学院软机器人实验室;以及苏黎世联邦理工学院和 Inkbit 的其他人。这项研究今天发表在 《自然》杂志上。

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这篇论文建立在研究人员在2015年推出的低成本多材料3D打印机MultiFab的基础上。通过利用数千个喷嘴沉积紫外线固化的微小树脂滴，MultiFab 能够同时使用多达 10 种材料进行高分辨率 3D 打印。

通过这个新项目，研究人员寻求一种非接触式工艺，以扩大他们可用于制造更复杂设备的材料范围。

他们开发了一种称为视觉控制喷射的技术，该技术利用四个高帧率相机和两个激光器快速连续地扫描打印表面。当成千上万的喷嘴沉积微小的树脂液滴时，相机会捕捉到图像。

计算机视觉系统将图像转换为高分辨率深度图，执行计算时间不到一秒。它将深度图与正在制造的零件的CAD（计算机辅助设计）模型进行比较，并调整沉积的树脂量，以使物体与最终结构保持在目标上。

自动化系统可以对任何单个喷嘴进行调整。由于打印机有 16,000 个喷嘴，因此系统可以控制正在制造的设备的细节。

“从几何学上讲，它几乎可以打印任何你想要的由多种材料制成的东西。在发送到打印机的内容方面几乎没有限制，您得到的是真正实用且经久耐用的，“Katzschmann 说。

该系统提供的控制水平使其能够非常精确地使用蜡进行打印，蜡用作支撑材料，在物体内部创建空腔或复杂的通道网络。当设备制造时，蜡被印刷在结构下方。完成后，物体被加热，使蜡熔化并排出，在整个物体上留下开放的通道。

由于它可以实时自动快速地调整每个喷嘴沉积的材料量，因此系统无需在打印表面上拖动机械部件即可保持其水平。这使得打印机能够使用固化更缓慢的材料，并且会被刮刀弄脏。

优质材料

研究人员使用该系统打印硫醇基材料，这些材料比3D打印中使用的传统丙烯酸材料固化速度慢。然而，硫醇基材料更具弹性，不像丙烯酸酯那样容易断裂。它们在更宽的温度范围内也往往更稳定，并且在暴露在阳光下时不会很快降解。

“当你想要制造需要与现实世界环境交互的机器人或系统时，这些都是非常重要的特性，”Katzschmann说。

研究人员使用巯基材料和蜡来制造几种复杂的设备，否则现有的3D打印系统几乎不可能制造这些设备。首先，他们生产了一种功能性的、肌腱驱动的机械手，它有 19 个可独立操作的肌腱、带有传感器垫的柔软手指以及刚性、承重骨骼。

“我们还生产了一种六足行走机器人，可以感知物体并抓住它们，这是可能的，因为该系统能够创建软质和刚性材料的气密界面，以及结构内部的复杂通道，”Buchner说。

该团队还通过集成心室和人工心脏瓣膜的类心泵展示了该技术，以及可以编程为具有非线性材料特性的超材料。

“这仅仅是个开始。您可以在这项技术中添加数量惊人的新型材料。这使我们能够引入以前无法用于 3D 打印的全新材料系列，“Matusik 说。

研究人员现在正在研究使用该系统打印用于组织工程应用的水凝胶，以及硅材料、环氧树脂和特殊类型的耐用聚合物。

他们还希望探索新的应用领域，例如打印可定制的医疗设备、半导体抛光垫，甚至更复杂的机器人。

这项研究部分由瑞士信贷、瑞士国家科学基金会、美国国防高级研究计划局和美国国家科学基金会资助。