借助3D喷墨打印系统，工程师可以制造具有柔软和刚性组件的混合结构，例如机器人抓手，其强度足以抓住重物，但又足够柔软，可以与人类安全互动。

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，用刮刀或滚筒将其平滑，并用紫外线固化。但平滑过程可能会挤压或涂抹固化缓慢的树脂，从而限制了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型3D喷墨打印系统，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。

由于不需要机械部件来平滑树脂，因此这种非接触式系统所使用的材料比传统3D打印中使用的丙烯酸酯固化得更慢。一些固化速度较慢的材料化学成分可以提供比丙烯酸酯更好的性能，例如更大的弹性、耐用性或寿命。

此外，自动系统可以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结合软质和刚性材料的复杂机器人设备。例如，他们制作了一个完全3D打印的机器人抓手，其形状像人手，由一组加固但灵活的肌腱控制。

“我们的主要见解是开发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、麻省理工学院电气工程和计算机科学教授WojciechMatusik说道，他领导着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。

苏黎世联邦理工学院博士生托马斯·布赫纳(ThomasBuchner)是该论文的主要作者，共同通讯作者是罗伯特·卡茨施曼(RobertKatzschmann)博士。18岁，机器人学助理教授，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。该研究将发表在《自然》杂志上。

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本文构建了研究人员于2015年推出的一种名为MultiFab的低成本多材料3D打印机。通过利用数千个喷嘴沉积经过紫外线固化的微小树脂滴，MultiFab实现了高达10微米的高分辨率3D打印。一次性材料。

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来快速、连续地扫描打印表面。当数千个喷嘴沉积微小的树脂滴时，相机捕获图像。

计算机视觉系统将图像转换为高分辨率深度图，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，以使物体保持最终结构的目标。

研究人员制造了一种功能性的、肌腱驱动的机器人手，它有19个可独立驱动的肌腱、带有传感器垫的柔软手指以及刚性的承重骨骼。图片来源：WojciechMatusik、RobertKatzschmann、ThomasBuchner等

自动化系统可以对任何单独的喷嘴进行调整。由于打印机有16,000个喷嘴，该系统可以控制正在制造的设备的精细细节。

“从几何角度来看，它几乎可以打印任何你想要的由多种材料制成的东西。你可以发送到打印机的内容几乎没有限制，而且你得到的是真正实用且持久的东西，”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，蜡被用作支撑材料，在物体内部创建空腔或复杂的通道网络。在制造设备时，蜡被打印在结构下方。完成后，物体被加热，蜡熔化并排出，在整个物体上留下开放的通道。

由于它可以自动、快速地实时调整每个喷嘴沉积的材料量，因此系统不需要在打印表面上拖动机械部件来保持水平。这使得打印机能够使用逐渐固化的材料，并且会被刮刀涂抹。

优质材料

研究人员使用该系统使用硫醇基材料进行打印，这种材料的固化速度比3D打印中使用的传统丙烯酸材料慢。然而，硫醇基材料更具弹性，并且不像丙烯酸酯那样容易断裂。它们在更广泛的温度范围内也往往更稳定，并且在暴露于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，这些是非常重要的属性，”卡茨施曼说。

研究人员使用硫醇基材料和蜡制造了几种复杂的设备，否则现有的3D打印系统几乎无法制造这些设备。首先，他们生产了一种功能性的、肌腱驱动的机器人手，它有19个可独立驱动的肌腱、带有传感器垫的柔软手指以及刚性的承重骨骼。

“我们还生产了一种六足步行机器人，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，”布赫纳说。

该团队还通过具有集成心室和人造心脏瓣膜的类心泵以及可编程为具有非线性材料特性的超材料展示了该技术。

“这只是一个开始。有大量新型材料可以添加到这项技术中。这使我们能够引入以前无法在3D打印中使用的全新材料系列，”Matusik说。

研究人员现在正在考虑使用该系统打印水凝胶，水凝胶用于组织工程应用，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。