哈佛大學工程與應用科學學院（SEAS）研究團隊近日開發出全新 3D 打印技術，透過將兩種熱響應特性不同的軟性材料同步打印成仿生纖維，製作出能按預設邏輯自主彎曲和扭轉的人工肌肉，無需摩打或傳統機械裝置驅動。研究成果刊於《美國國家科學院院刊》（PNAS），出自 Jennifer Lewis 教授領導的實驗室，合作研究員包括材料科學家 Joanna Aizenberg 及應用數學教授 L. Mahadevan。
肌肉一直是機械人仿真最難突破的環節
長期以來，工程界雖已為機械人創建類似骨骼、神經和感覺系統的結構，但人工肌肉始終是最難模擬的部分。傳統機械人依賴摩打、液壓及氣動系統驅動，動作精準有力，卻因結構剛性大而難以展現人體般流暢柔軟的運動。此前的方案，如氣動人工肌肉、熱敏合金、電響應聚合物等，往往需要配套笨重外部裝置，無法同時兼顧輕量化、響應速度與複雜形態。
把動作直接「寫入」材料
Harvard 團隊採用的核心方法稱為「直寫式 3D 打印」（direct ink writing），透過旋轉噴嘴同步擠出兩種材料：一種遇熱會收縮的「主動材料」，以及一種維持不變的「被動彈性體」。打印過程中，噴嘴持續旋轉，在微觀尺度上寫入螺旋狀內部取向，精細控制不同區域的熱響應行為。受熱時，主動側收縮而被動側抵抗，產生內部應力，驅使纖維按預設方式彎曲、扭轉、卷曲或盤繞，整個動作邏輯在打印階段已完全植入材料。
實驗展示多種複雜形變
研究人員打印了多種軟性晶格結構和波浪狀纖維，受熱後有的整體膨脹、有的收縮，平面晶格甚至能隆起成穹頂狀曲面。研究人員亦利用這類材料製作軟體抓取器，靠近物體時能包覆並收緊完成抓取，再透過溫度變化鬆開釋放，動作平滑、連續且可逆，有別於傳統剛性機械手的機械式開合。這項技術有望應用於軟體機械人手臂、能在人體內自適應的醫療器械，以及各類可感知環境並即時形變的智能結構。
現階段仍有技術局限
目前系統主要依賴熱刺激作為觸發方式，響應速度和能效尚難與成熟摩打系統比肩。研究人員坦言，相關材料和結構設計仍處於實驗階段，後續需在刺激方式、耐久性及規模化量產等方面持續改良，才能真正走向工程和商業應用。
資料來源：cnBeta
