麻省理工學(xué)院推出革命性Xstrings技術(shù)：3D打印仿生物體的新方法

2025年3月25日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院計算機科學(xué)與人工智能實驗室 (CSAIL)、浙江大學(xué)和清華大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新方法，可以 3D 打印出具有類似人類運動能力的物體。這種方法被稱為“Xstrings”，可以自動制造可以彎曲、盤繞、擰緊和壓縮的電纜驅(qū)動組件。

傳統(tǒng)上，此類設(shè)備很難生產(chǎn)，因為必須手動將電纜嵌入整個物體中。然而，Xstrings 方法利用多材料 FDM 3D 打印，只需一步即可將電纜直接嵌入結(jié)構(gòu)中，無需手動組裝。研究團隊還開發(fā)了一種數(shù)字設(shè)計工具，允許用戶生成具有所需運動能力的電纜驅(qū)動組件的 3D 打印文件。

第一作者、麻省理工學(xué)院 CSAIL 博士后 Jiaji Li 將在下個月的2025 年計算機系統(tǒng)人為因素會議(CHI2025)上發(fā)表這篇題為”Xstrings: 3D Printing Cable-driven Mechanism for Actuation, Deformation, and Manipulation“新研究論文。它概述了用于驗證 Xstrings 功能的幾項測試。例如，Li 的團隊證實，3D 打印電纜在斷裂前可承受超過 60,000 次 90 度收縮。此外，生產(chǎn)速度會影響電纜質(zhì)量，在 260°C 下進行 3D 打印時，10mm/s 和 15 mm/s 可產(chǎn)生最佳效果。據(jù) Li 介紹，Xstrings 可將總生產(chǎn)時間縮短 40%。

最終，研究人員相信，他們的新方法將為多種應(yīng)用提供價值，包括用于空間站和外星基地的纜繩驅(qū)動機器人、仿生設(shè)備、可調(diào)節(jié)時裝設(shè)計和交互式藝術(shù)品裝置。

Li說：Xstrings 軟件可以將各種想法變成現(xiàn)實。它能讓你生產(chǎn)出像人手一樣的仿生機器人設(shè)備，模仿我們自己的抓握能力。我們的創(chuàng)新方法可以幫助任何人使用桌面雙材料 3D 打印機設(shè)計和制造電纜驅(qū)動產(chǎn)品�！�

△JiajiLi 和使用 Xstrings 方法 3D 打印的設(shè)備。照片來自 MIT CSAIL。

麻省理工學(xué)院推出新型仿生3D打印方法

纜線驅(qū)動機制通過將線穿過分段物體來發(fā)揮作用。拉動線會產(chǎn)生張力，導(dǎo)致物體彎曲、扭曲或折疊，具體取決于設(shè)計。這種方法經(jīng)常用于仿生學(xué)，使機器人設(shè)備能夠表現(xiàn)出擬人化的運動。例如，在機械手上添加纜線可以使手指彎曲和抓握物體

MIT 的 Xstrings 軟件使用Rhinoceros 8作為設(shè)計環(huán)境，使用Grasshopper作為中間計算工具。工作流程從用戶提交具有特定尺寸的設(shè)計開始。然后，他們選擇四種運動“基元”之一，即彎曲、卷繞、扭曲或壓縮，以定義設(shè)備的移動方式。用戶還可以輸入這些運動所需的角度。

值得注意的是，多個基元可以組合成單個設(shè)備，以解鎖更大的運動能力。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，使每根手指都可以握成拳頭。他們使用 Xstrings 方法和設(shè)計工具 3D 打印了其他幾種多材料機制。其中包括行走蜥蜴機器人、可以打開和關(guān)閉的墻壁雕塑以及可以纏繞物體的觸手。

Xstrings 還允許用戶確定每根電纜在部件內(nèi)的固定位置。這包括選擇電纜固定的端點（錨點）、電纜穿過的孔（螺紋區(qū)域）以及拉動電纜以操作設(shè)備的位置（暴露點）。例如，機器人手指可能包括指尖處的錨點和從手指向下延伸到另一端暴露的拉動標(biāo)簽的電纜。  

在模擬設(shè)計后，用戶可以導(dǎo)出文件并將其發(fā)送到 FDM 3D 打印機。為了確保與任何多材料 FDM 3D 打印機兼容，研究人員選擇不為特定型號生成 G 代碼。相反，李的團隊為各種切片軟件提供了參數(shù)設(shè)置，并使用UltiMaker S5、UltiMaker 3 和Bambu Lab X1 3D 打印了他們的 Xstrings 測試設(shè)備。他們用 PLA 制作了每個設(shè)備的主體，并使用尼龍絲作為電纜。

麻省理工學(xué)院的新工藝只需一步即可制造出功能部件，只需放置水平電纜并在周圍進行打印。到目前為止，這種方法已用于生產(chǎn)具有剛性外部和柔軟、靈活的內(nèi)部的部件。未來，研究人員的目標(biāo)是通過 3D 打印具有柔軟外部和剛性內(nèi)部的設(shè)備來逆轉(zhuǎn)這種結(jié)構(gòu)，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它們。

李與浙江大學(xué)碩士生馮姝悅和清華大學(xué)劉宇佳共同撰寫了這篇論文。浙江大學(xué)助理教授、前麻省理工學(xué)院媒體實驗室客座研究員王冠云也做出了貢獻。研究團隊包括三名 CSAIL 成員：麻省理工學(xué)院電氣工程和計算機科學(xué)博士生 MaxinePerroni-Scharf 和客座研究員 Emily Guan。資深作者 Stefanie Mueller 是麻省理工學(xué)院電氣工程、計算機科學(xué)和機械工程專業(yè)的TIBCO 職業(yè)發(fā)展副教授。

△Xstrings3D 打印的線纜驅(qū)動手指。圖片來自 MIT CSAIL。

3D打印仿生學(xué)

3D 打印越來越多地被應(yīng)用于制造仿生設(shè)備，特別是假肢應(yīng)用。本月初，約翰霍普金斯大學(xué)、佛羅里達大西洋大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的研究人員開發(fā)出一種模仿人類觸覺的3D 打印假手。這款新產(chǎn)品兼具剛性和靈活性，握力強到可以穩(wěn)固地握住水瓶，靈巧到可以拿起易碎的塑料杯而不會損壞它。

△受人類手部啟發(fā)而開發(fā)的具有神經(jīng)形態(tài)觸覺感應(yīng)功能的混合機械手。圖片來自 JHU。

混合機器人手指具有三個獨立驅(qū)動的軟關(guān)節(jié)，這些軟關(guān)節(jié)由化學(xué)制造公司Smooth-On的Dragon Skin 10 硅膠制成。它們由用 PLA 3D 打印的剛性骨架結(jié)構(gòu)支撐。據(jù)報道，分析和測試表明，每個混合機器人手指在僅 7 psi 的驅(qū)動壓力下即可實現(xiàn) 130° 的曲率和 208° 的屈曲角度。這比需要更高壓力的純軟機器人手指更有效率。事實上，在測試過程中，混合手指表現(xiàn)出的抓握力是軟機器人替代品的三倍多。

去年，英國機器人公司Open Bionics宣布，一名來自倫敦的手部截肢者首次采用了他們的3D 打印手指裝置。這款名為Hero Gauntlet 的假肢可幫助患有先天性或后天性部分手部肢體缺陷的人恢復(fù)手部功能。Open Bionics 使用 3D 掃描和增材制造技術(shù)定制每臺設(shè)備。用戶通過彎曲手腕來控制抓握動作。

另一則新聞是，美國假肢制造商Psyonic使用Formlabs 的Form 3 立體光刻 (SLA) 3D 打印機開發(fā)了3D 打印仿生手。開發(fā)過程包括快速原型設(shè)計、設(shè)計迭代和最終用途部件的小批量生產(chǎn)。Ability Hand重量僅為 490 克。它的拇指可以電動和手動旋轉(zhuǎn)，而所有五個手指都可以彎曲以提供完整的手部功能。