研究人員開發(fā)Xstrings技術：3D打印一體化電纜驅動機制，實現(xiàn)動態(tài)結構免組裝制造

2025年3月25日，南極熊獲悉，清華大學、浙江大學和麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室(CSAIL)的研究人員開發(fā)出一種新型軟件，可以3D打印出具有類似人類運動能力的物體。這項技術被稱作“Xstrings”，它能夠自動制造出可彎曲、盤繞、擰緊和壓縮的電纜驅動組件。

△Jiaji Li和使用Xstrings方法3D打印的設備

傳統(tǒng)電纜驅動機制的設計和制造需要復雜的裝配（如鉆孔、穿線、打結），而研究人員開發(fā)的Xstrings軟件通過雙材料FDM 3D打印技術，可以將電纜、關節(jié)和結構一次性集成打印，顯著減少人工操作時間和成本。實驗表明，相比傳統(tǒng)方法，Xstrings節(jié)省了約40%的制造時間。

△相關研究題目為“Xstrings: 用于致動、變形和操縱的3D打印線纜驅動機制變形和操縱”（傳送門）

這項研究的第一作者、麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室（CSAIL）博士后Jiaji Li，將在即將于下個月舉行的2025年計算機系統(tǒng)人為因素會議（CHI2025）上介紹這篇新研究論文。該論文詳細介紹了用于驗證Xstrings功能的多項測試。例如，Li的團隊已經證明，3D打印的電纜在斷裂前能夠承受超過6萬次90度的彎曲收縮。研究還發(fā)現(xiàn)，生產速度會影響電纜質量，在260°C下進行3D打印時，打印速度為10 mm/s和15 mm/s時能夠產生最佳效果。

Li解釋道：“Xstrings軟件能夠將各種創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實。它使得制造類似人手的仿生機器人設備成為可能，這些設備能夠模仿我們的抓握能力。我們的創(chuàng)新方法有助于任何擁有桌面雙材料3D打印機的人設計和制造電纜驅動產品�！�

△由Xstrings軟件3D打印的仿生手指與電纜和各組件的關系

新型仿生3D打印方法

纜線驅動機制通過將線穿過分段物體來實現(xiàn)功能。當拉動線纜時，張力會導致物體彎曲、扭曲或折疊，具體取決于它的設計。這種方法在仿生學中被廣泛應用，使機器人設備能夠執(zhí)行類似人類的運動。例如，在機械手上集成纜線可以使手指彎曲和抓握物體。

新型Xstrings軟件采用了Rhinoceros 8作為設計環(huán)境，并利用Grasshopper作為中間計算工具。用戶首先提交一個具有特定尺寸的設計，然后選擇四種“基元”模式，例如彎曲、卷繞、扭曲或壓縮來定義設備的運動方式。用戶還可以指定這些運動所需的角度。

值得注意的是，多個基元可以組合成一個設備，從而解鎖更復雜的運動能力。例如，在創(chuàng)建機器人爪時，研究人員將多條電纜以并聯(lián)組合的方式集成在一起，使每個手指都能夠獨立地握成拳頭。他們利用Xstrings方法和設計工具3D打印了其它幾種多材料機制，包括行走蜥蜴機器人、能夠開合的墻壁雕塑，以及能夠纏繞物體的觸手。

Xstrings還允許用戶指定每根電纜在部件內的固定位置。例如，在設計一個機器人手指時，通過設置錨點在指尖，電纜從手指的一端延伸到另一端的拉動標簽，可以確保電纜的拉動操作能夠有效地控制手指的運動。這樣的設計使得部件在組裝和使用過程中更為靈活和高效。

△(a)使用Xstrings打印的樣品，中心部件可以平滑運動；(b)使用默認設置打印的相同樣品，中心部件會卡住

使用Xstrings一步3D打印多功能電纜驅動部件

完成模擬設計后，用戶可以導出文件并發(fā)送至FDM 3D打印機。為了確保兼容任何多材料FDM 3D打印機，研究人員沒有為特定型號生成G代碼。相反，他們?yōu)楦鞣N切片軟件提供了參數(shù)設置，并使用UltiMaker S5、UltiMaker 3和Bambu Lab X1 3D打印機打印了Xstrings測試設備。設備主體采用PLA材料，而電纜則使用尼龍制成。

△Xstrings 3D打印爪，具有四個具有柔性關節(jié)的手指和一個具有機械關節(jié)的肘關節(jié)

現(xiàn)階段，研究人員的新工藝能夠在一步內制造出功能部件，只需放置水平電纜并圍繞電纜進行打印。迄今為止，這種方法已用于生產外部堅硬而內部柔軟靈活的部件。未來，研究人員的目標是通過3D打印外部柔軟、內部堅硬的設備，以模仿人類的皮膚和骨骼。他們還計劃探索更耐用的電纜，并嘗試以不同角度或垂直方式嵌入電纜。

未來，研究人員相信，他們的新方法將為多種應用帶來價值，包括空間站和外星基地使用的纜繩驅動機器人、仿生設備、可調節(jié)的時裝設計以及交互式藝術品等裝置。