3D打印科研突破：2024年《Science》和《Nature》上的十篇文章

2024年已經(jīng)過(guò)去，在這一年里，3D打印技術(shù)迎來(lái)了其發(fā)展歷程中的又一里程碑，這一年的研究突破不僅鞏固了3D打印作為制造業(yè)革命性力量的地位，更拓展了它在醫(yī)療、工程、材料科學(xué)等跨學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用邊界。Science和Nature這兩份國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的一系列論文，記錄了該年度內(nèi)3D打印領(lǐng)域的重要進(jìn)展。

南極熊將帶您回顧2024年中那些激動(dòng)人心的3D打印研究進(jìn)展，看看科學(xué)家們是如何一步步推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)向前發(fā)展的。通過(guò)了解這些創(chuàng)新，我們可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)3D打印會(huì)給我們帶來(lái)更多的驚喜！

1、Science：3D打印可制造多色發(fā)光結(jié)構(gòu)

2024年1月16日，來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部等的研究成員在光致發(fā)光領(lǐng)域取得突破，并借助3D打印技術(shù)制備了光致發(fā)光結(jié)構(gòu)。他們的研究結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)表在了Science上，研究題目為Supramolecular assembly of blue and green halide perovskites with near-unity photoluminescence（具有近乎一致光致發(fā)光的藍(lán)色和綠色鹵化物鈣鈦礦的超分子組裝）。



從題目中不難發(fā)現(xiàn)，這篇文章主要關(guān)注的是鹵化物鈣鈦礦材料的合成及其在高效發(fā)光二極管（LED）中的應(yīng)用，但其中3D打印技術(shù)起到了關(guān)鍵作用：

●研究人員利用3D打印技術(shù)精確控制鹵化物鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。通過(guò)3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鹵化物鈣鈦礦薄膜的高度均勻分布，這對(duì)于提高LED的性能至關(guān)重要。

●通過(guò)優(yōu)化3D打印工藝，研究人員成功地制備了具有接近100%光致發(fā)光量子產(chǎn)率的藍(lán)色和綠色鹵化物鈣鈦礦材料，高效的光致發(fā)光特性表明這些材料非常適合用于制造高效率的LED。

●利用3D打印技術(shù)制備的鹵化物鈣鈦礦LED展示了出色的亮度、穩(wěn)定性和色純度。與傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印技術(shù)使得制備的LED具有更高的均勻性和一致性，從而提高了整體性能。


△實(shí)現(xiàn)藍(lán)綠雙色3D打印。 (A) 多材料 3D 打印過(guò)程示意圖。 （B 和 C）白光 (B) 和 254 nm 紫外線 激發(fā)下的兩座 3D 打印發(fā)光埃菲爾鐵塔。 (D) 254 nm 紫外線激發(fā)下的雙色發(fā)光埃菲爾鐵塔。 (E 到 H) 具有不同層次結(jié)構(gòu)和幾何形狀的共形和扭曲八位體桁架，包括立方八面體、十四面體和門(mén)格爾海綿結(jié)構(gòu)，分別具有藍(lán)色和綠色發(fā)射器或其組合。這些打印結(jié)構(gòu)在 254 nm 處進(jìn)行光激發(fā)。

這項(xiàng)研究為利用3D打印技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量鹵化物鈣鈦礦LED提供了可能性。3D打印技術(shù)不僅有助于提高LED的效率，還可能降低生產(chǎn)成本并簡(jiǎn)化制造過(guò)程。這種技術(shù)的進(jìn)步對(duì)于推動(dòng)未來(lái)顯示技術(shù)和照明領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

原文鏈接：DOI: 10.1126/science.adi4196

2、Science：“一箭雙雕”——實(shí)現(xiàn)超均勻、高強(qiáng)塑性的3D打印鈦合金

2024年2月8日，重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與澳大利亞昆士蘭大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在Science發(fā)表了題為Ultra-uniform, strong, and ductile 3D printed titanium alloy through bifunctional alloy design文章，提出一種“一箭雙雕”的合金設(shè)計(jì)策略，為探索多種金屬粉末原料、可變的打印合金體系、不同的3D打印技術(shù)以及先進(jìn)的多材料打印開(kāi)辟了一條途徑。



研究人員表示，金屬3D打印過(guò)程中通常涉及多重物理和冶金現(xiàn)象，從而賦予打印構(gòu)件復(fù)雜的微觀組織結(jié)構(gòu)和多樣的力學(xué)性能。但是在3D打印過(guò)程中，金屬經(jīng)常會(huì)形成粗大的柱狀晶粒和不均勻分布的相，這樣的組織結(jié)構(gòu)不僅導(dǎo)致打印構(gòu)件的力學(xué)性能不均勻，同時(shí)也會(huì)降低構(gòu)件的力學(xué)性能。因此，研究者們最初設(shè)想是尋求一種“一箭雙雕”的合金設(shè)計(jì)策略，從而直接通過(guò)3D打印獲得性能優(yōu)越和均勻的鈦合金。


△Mo納米顆粒的添加顯著提高了3D打印Ti-5553合金的力學(xué)性能及其均勻性

研究人員采用了雙功能合金設(shè)計(jì)策略，即通過(guò)合金元素的選擇和比例調(diào)整，以達(dá)到既增加合金強(qiáng)度又保持良好延展性的目的。雙功能合金設(shè)計(jì)使得3D打印的鈦合金具有超均勻的微觀結(jié)構(gòu)，這意味著材料內(nèi)部沒(méi)有明顯的局部差異，這有助于提高材料的整體性能�？偠�言之，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化3D打印工藝和合金成分，成功制備了具有超均勻微觀結(jié)構(gòu)的3D打印鈦合金，減少了材料內(nèi)部的缺陷，如裂紋、孔隙和其他不連續(xù)性，從而顯著提升了材料的機(jī)械性能，其屈服強(qiáng)度達(dá)926MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為26%，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與塑性的優(yōu)良匹配。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj0141

3、Science：光固化3D打印“心臟創(chuàng)可貼”問(wèn)世，可修復(fù)受損心臟

2024年8月3日，來(lái)自科羅拉多大學(xué)博爾德分校 (CU Boulder) 和賓夕法尼亞大學(xué)的研究小組率先開(kāi)發(fā)出一種3D打印水凝膠材料工藝，這種材料既有彈性，又有粘性，而且有回彈性，可用于打印內(nèi)部繃帶以修復(fù)受損的心臟組織、軟骨補(bǔ)片或無(wú)針縫合線。研究以Additive manufacturing of highlyentangled polymer networks為題，發(fā)表在Science頂級(jí)期刊上。



這種彈性創(chuàng)可貼狀材料的制作得益于研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一種特殊 3D 打印工藝，此工藝稱(chēng)為 CLEAR（通過(guò)氧化還原引發(fā)輔助的光照后連續(xù)固化），本質(zhì)上可以控制打印過(guò)程中材料分子的交聯(lián)。這是通過(guò)結(jié)合使用“明暗聚合”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。研究人員表示，這種新穎的3D打印方法在室溫下即可實(shí)現(xiàn)高單體轉(zhuǎn)化率，無(wú)需額外的刺激，例如打印后的光線或熱量，并且能夠通過(guò)增材制造生產(chǎn)高度糾纏的水凝膠和彈性體，與傳統(tǒng)的 DLP 相比，其延伸能量高出四到七倍。


△ CLEAR技術(shù)打印的多種彈性形狀

研究人員已為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了臨時(shí)專(zhuān)利，它不僅成功打印出比標(biāo)準(zhǔn) DLP 機(jī)器打印的部件更柔韌、更堅(jiān)韌的材料，而且還具有粘性，可以粘在組織上。Burdick 實(shí)驗(yàn)室的研究員 Matt Davidson 表示可以 3D 打印出強(qiáng)度足以支撐組織的粘合材料。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6925

4、Nature：3D打印抗疲勞鈦合金取得突破性進(jìn)展

2024年2月27日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂團(tuán)隊(duì)帶頭人張哲峰研究員在前期疲勞損傷機(jī)制和疲勞預(yù)測(cè)理論指導(dǎo)下，與輕質(zhì)高強(qiáng)材料研究部楊銳研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，提出了一種通過(guò)單獨(dú)調(diào)控其微觀結(jié)構(gòu)和缺陷來(lái)制造抗疲勞3D打印鈦合金的創(chuàng)新策略，稱(chēng)為凈增材制造制備（NAMP），研究成果于2024年2月29日以題為High fatigue resistance in a titaniumalloy via near void-free 3D printing發(fā)表在Nature正刊上。



研究人員表示，理想狀態(tài)下3D打印技術(shù)直接制備出的鈦合金組織（稱(chēng)為Net-AM組織）應(yīng)具有天然優(yōu)異的疲勞性能，而打印過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔等缺陷掩蓋了其自身組織抗疲勞的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量的3D打印材料疲勞性能大幅降低。因此，提升3D打印材料疲勞性能的關(guān)鍵在于消除打印氣孔的同時(shí)，需要盡可能保留原始打印的組織狀態(tài)。然而，目前消除氣孔的工藝往往伴隨組織粗化，而細(xì)化組織的處理又會(huì)帶來(lái)氣孔復(fù)現(xiàn)，甚至引發(fā)晶界α相富集等新的不利因素，可謂進(jìn)退兩難。


△打印態(tài)、NAMP態(tài)以及其他兩種典型狀態(tài)3D打印鈦合金組織和缺陷特征：（a）打印態(tài)；（b）熱等靜壓（HIP）態(tài)；（c）Near-net-AM態(tài)；（d）Net-AM態(tài)。

幸運(yùn)的是，研究人員在Ti-6Al-4V合金中首次發(fā)現(xiàn)，高溫下3D打印態(tài)組織的晶界遷移及氣孔長(zhǎng)大與相轉(zhuǎn)變過(guò)程表現(xiàn)出異步的特性，即存在一個(gè)熱處理工藝窗口，既可實(shí)現(xiàn)板條組織細(xì)化，又能有效抑制晶界α相富集及氣孔復(fù)現(xiàn)。為此，研究人員巧妙地利用了這一工藝窗口，發(fā)明了缺陷與組織分步調(diào)控的NAMP新工藝（Net-Additive Manufacturing Process），最終制備出幾乎無(wú)氣孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。NAMP工藝步驟主要包括用于消除微孔的熱等靜壓 (HIP) 以及隨后用于恢復(fù)增材制造微觀結(jié)構(gòu)的高溫短時(shí) (HTSt) 熱處理具有細(xì)小的馬氏體板條，可以成功地使鈦合金恢復(fù)幾乎無(wú)空隙的Net-AM顯微組織。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1

5、Nature：基于連續(xù)液體界面技術(shù)生產(chǎn)制造特定形狀的顆粒

2024年3月13日，來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)的Joseph M. DeSimone等研究者介紹了一種可擴(kuò)展的且高分辨率的3D打印技術(shù)，用于基于卷對(duì)卷連續(xù)液界面生產(chǎn)(r2rCLIP)的形狀特定顆粒的制造。相關(guān)論文以題為Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles于2024年03月13日發(fā)表在Nature上。



研究探討了高分辨率3D打印技術(shù)，特別是CLIP（連續(xù)液界面生產(chǎn)）方法在微細(xì)結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種名為r2rCLIP的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在柔性基底上快速、連續(xù)地打印出具有復(fù)雜三維形態(tài)的微粒子。通過(guò)優(yōu)化打印參數(shù)如光劑量、灰度處理和光學(xué)近似校正等，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)固化深度的高度控制，減少了過(guò)固化現(xiàn)象，并能精細(xì)調(diào)整每個(gè)體素內(nèi)的特性。


△Roll-to-roll-CLIP是具有復(fù)雜幾何形狀的粒子的快速制造工藝

研究探究了不同樹(shù)脂組合物對(duì)于打印效果的影響，展示了從低到高的穿透深度以及相應(yīng)的固化深度測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)采用了金/鈀涂層來(lái)增強(qiáng)掃描電子顯微鏡下的成像質(zhì)量。同時(shí)，作者們討論了如何利用橋接測(cè)試方法確定樹(shù)脂的固化特性曲線，從而為選擇合適的打印條件提供指導(dǎo)。

這項(xiàng)工作不僅提升了3D打印技術(shù)的精度，也為制造具有特定功能的微米級(jí)顆粒鋪平了道路，有望應(yīng)用于藥物遞送、組織工程和其他領(lǐng)域。研究強(qiáng)調(diào)了材料特性的選擇對(duì)于成功實(shí)現(xiàn)高分辨率打印的重要性，包括光折射與衍射、穿透深度及凝膠化所需的關(guān)鍵曝光劑量等因素。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07061-4

6、Nature：新型環(huán)保3D打印材料突破——利用天然成分實(shí)現(xiàn)高效可逆光聚合

2024年5月15日，南極熊獲悉，來(lái)自伯明翰大學(xué)的研究者們通過(guò)真空光聚合的方法對(duì)光致聚合樹(shù)脂進(jìn)行增材制造，可以實(shí)現(xiàn)定制3D打印零件的快速制造。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在Nature上，題目為A renewably sourced, circular photopolymer resin for additive manufacturing。



研究者們提出了一種創(chuàng)新的3D打印材料，通過(guò)使用含有應(yīng)變環(huán)二硫化物（如天然來(lái)源的α-硫辛酸）的樹(shù)脂體系，在保持足夠高的二硫化物濃度以支持快速固化的同時(shí)，避免了傳統(tǒng)添加劑帶來(lái)的不可逆性問(wèn)題。研究人員將α-硫辛酸與可持續(xù)資源衍生的山梨醇和薄荷醇結(jié)合，制備出兩種化合物——山梨醇硫辛酸酯（IsoLp2）作為多價(jià)交聯(lián)劑，以及薄荷基硫辛酸酯（MenLp1）作為反應(yīng)型稀釋劑。這兩種物質(zhì)混合后形成穩(wěn)定的打印樹(shù)脂，其中MenLp1起到了穩(wěn)定作用，防止了IsoLp2在儲(chǔ)存期間因自交聯(lián)而凝膠化。


△光固化樹(shù)脂的3D打印及其回收利用

該樹(shù)脂系統(tǒng)不僅表現(xiàn)出良好的環(huán)境穩(wěn)定性，而且其合成過(guò)程也考慮到了綠色化學(xué)原則，采用更安全、毒性較低的試劑和溶劑。這種新材料使得3D打印件可以在光照下發(fā)生可逆的聚合反應(yīng)，為未來(lái)的回收再利用提供了可能性，并且減少了對(duì)環(huán)境的影響。此外，技術(shù)還展示了優(yōu)異的打印精度和機(jī)械性能，有望推動(dòng)3D打印行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07399-9

7、Nature：微納3D打印可注射超聲傳感器，用于顱內(nèi)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)

2024年6月5日，華中科技大學(xué)臧劍鋒教授、姜曉兵教授以及新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授團(tuán)隊(duì)攜手合作，研發(fā)出一種創(chuàng)新型可注射超聲凝膠傳感器，有望克服傳統(tǒng)有線傳感器存在的感染風(fēng)險(xiǎn)和術(shù)后并發(fā)癥等問(wèn)題，同時(shí)避免現(xiàn)有無(wú)線電子傳感器體積過(guò)大、無(wú)法體內(nèi)降解等臨床應(yīng)用挑戰(zhàn)。相關(guān)研究成果以Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals為題在線發(fā)表于Nature期刊。



研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一種新型傳感器結(jié)構(gòu)，名為"超聲超凝膠"，是由雙網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)的水凝膠基質(zhì)和內(nèi)部周期性排列的空氣孔道組成，體積僅為2×2×2mm3。這種可注射傳感器是研究團(tuán)隊(duì)采用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(shù)(nanoArch® S140，精度：10 μm)加工模具后，經(jīng)水凝膠翻模制備而成。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該特殊結(jié)構(gòu)在8-10MHz頻段具有聲學(xué)帶隙，對(duì)入射超聲波有很強(qiáng)的反射能力。凝膠材料均采用生物相容性且可降解材料制成，注射入體約1個(gè)月后可自然降解，無(wú)需再次開(kāi)顱取出。


△可注射、可降解的超凝膠超聲傳感器設(shè)計(jì)原理--基于超聲反射的超凝膠無(wú)線顱內(nèi)生理傳感器示意圖。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07334-y

8、Nature：新型3D打印彈性體材料突破強(qiáng)度與韌性極限

2024年7月，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院謝濤、吳晶軍研究團(tuán)隊(duì)最近3D打印出一根“超級(jí)橡皮筋”，它能拉伸到自身長(zhǎng)度的9倍以上，直徑約1毫米的“身軀”能提起一包10公斤的大米，其性能遠(yuǎn)超其他3D光固化打印彈性體。他們的研究成果已經(jīng)發(fā)表在Nature上，題目為3D printable elastomers with exceptional strength and toughness。



研究人員開(kāi)發(fā)了一種用于3D打印的光固化樹(shù)脂，該樹(shù)脂能生成具有非凡強(qiáng)度和韌性的彈性體。通過(guò)引入動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，這種材料允許網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)，促進(jìn)了層級(jí)氫鍵（特別是酰胺氫鍵）、微相分離及互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，這些特性共同作用賦予了材料卓越的機(jī)械性能。經(jīng)熱后固化6小時(shí)，彈性體的拉伸強(qiáng)度達(dá)到了94.6 MPa，韌性為310.4 MJ m^-3，遠(yuǎn)超現(xiàn)有3D打印彈性體。


△“超級(jí)橡皮筋”拉伸前后對(duì)比圖。左圖為拉伸前，右圖為拉伸后。

此材料在汽車(chē)、建筑、消費(fèi)產(chǎn)品等傳統(tǒng)領(lǐng)域以及微流控、軟機(jī)器人、可穿戴電子和醫(yī)療器械等新興領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)等多個(gè)機(jī)構(gòu)，其成果有望推動(dòng)3D打印技術(shù)在大規(guī)模制造中的應(yīng)用。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07588-6

9、Nature：聲光結(jié)合，動(dòng)態(tài)界面3D打印技術(shù)打造未來(lái)制造新范式

2024年10月30日，南極熊獲悉，來(lái)自澳大利亞的研究學(xué)者提出了一種新的3D打印方法——?jiǎng)討B(tài)界面打印，利用聲學(xué)調(diào)制的受限氣液邊界，在幾十秒內(nèi)快速生成厘米級(jí)的3D結(jié)構(gòu)。他們的研究成果已經(jīng)發(fā)表在Nature上，題目為Dynamic interface printing（動(dòng)態(tài)界面打印）。



體積打印技術(shù)因其能夠快速制造自由浮動(dòng)且各向同性的結(jié)構(gòu)而受到廣泛關(guān)注，但這種方法同樣面臨著對(duì)專(zhuān)業(yè)光學(xué)系統(tǒng)或特殊材料配方的需求，從而限制了其更廣泛的應(yīng)用。來(lái)自澳大利亞墨爾本大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的3D打印技術(shù)——動(dòng)態(tài)界面打印（Dynamic Interface Printing, DIP）。該技術(shù)利用一個(gè)開(kāi)放底部并密封透明玻璃窗口頂部的空心打印頭，通過(guò)聲學(xué)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生受控的氣-液界面，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)物體的快速生成。這一創(chuàng)新方法不僅避免了傳統(tǒng)技術(shù)中所需的復(fù)雜反饋系統(tǒng)和特定化學(xué)物質(zhì)，而且能夠在幾秒鐘到幾十秒的時(shí)間范圍內(nèi)完成厘米級(jí)別的3D結(jié)構(gòu)打印。


△DIP創(chuàng)新方法利用空心打印頭和氣液彎月面，通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓和聲波實(shí)現(xiàn)高速、無(wú)層的3D打印

DIP的獨(dú)特之處在于能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)打印頭內(nèi)的壓力，從而允許在打印過(guò)程中控制彎液面的形狀和位置。這種調(diào)制可以是固定的，形成靜態(tài)彎月面，但是也可以在振幅和頻率范圍內(nèi)對(duì)界面進(jìn)行聲學(xué)調(diào)制，以形成毛細(xì)重力波。彎月面在任何給定時(shí)刻的精確位置由打印頭的垂直位置、打印頭內(nèi)的靜態(tài)空氣壓力以及聲調(diào)制的振幅和頻率的疊加決定。這種振蕩致動(dòng)可以連續(xù)激活或者在投影之間瞬時(shí)激活。

這種全新的3D打印方法，不僅克服了現(xiàn)有技術(shù)的速度瓶頸，還拓展了適用材料的范圍，特別是對(duì)于軟質(zhì)和生物相關(guān)材料的支持。此外，DIP技術(shù)展現(xiàn)出了在無(wú)需專(zhuān)用化學(xué)物質(zhì)或光學(xué)反饋系統(tǒng)的條件下，快速生成任意無(wú)支撐結(jié)構(gòu)的能力，這對(duì)于高存活率的組織工程、規(guī)�；�生產(chǎn)和快速原型制作等領(lǐng)域具有重要意義。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08077-6

10、Nature：3D 打印賦能鳥(niǎo)類(lèi)起飛機(jī)制研究，助力新型仿生機(jī)器人 RAVEN的制造

2024年12月4日，來(lái)自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 的研究人員在Nature上發(fā)表了關(guān)于仿生機(jī)器人 RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments) 的最新研究成果，題目為Fast ground-to-air transition with avian-inspired multifunctional legs。此機(jī)器人模仿鳥(niǎo)類(lèi)，能夠行走、跳躍和飛行，并利用受鳥(niǎo)類(lèi)啟發(fā)的起飛機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高效的空中-地面過(guò)渡。3D 打印技術(shù)在 RAVEN 的制造過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，賦能了這項(xiàng)突破性研究。



RAVEN 的核心創(chuàng)新在于其受鳥(niǎo)類(lèi)后肢啟發(fā)的仿生腿部機(jī)構(gòu)，與復(fù)雜的鳥(niǎo)類(lèi)腿部結(jié)構(gòu)不同，RAVEN 的腿部設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化到只有臀部、踝部和腳部三個(gè)主要部分，并通過(guò)控制臀部和踝部關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)行走、跳躍和飛行等多種運(yùn)動(dòng)模式。


△受鳥(niǎo)類(lèi)啟發(fā)的機(jī)器人設(shè)計(jì)和功能

為了實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)，研究人員大量應(yīng)用了 3D 打印技術(shù)。RAVEN 的許多關(guān)鍵部件，包括齒輪箱、腿部連接件、腳部結(jié)構(gòu)以及機(jī)身框架等，都是使用3D打印機(jī)Ultimaker S5以及高韌性PLA材料制成的。這種制造方式不僅可以快速構(gòu)建復(fù)雜的幾何形狀，還能夠根據(jù)需要調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，從而優(yōu)化機(jī)器人的性能。例如，RAVEN 的腳部設(shè)計(jì)采用了扁平足結(jié)構(gòu)，并通過(guò) 3D 打印技術(shù)在腳趾處集成了被動(dòng)彈性關(guān)節(jié)，以增強(qiáng)其在陸地運(yùn)動(dòng)和地面-空中過(guò)渡過(guò)程中的穩(wěn)定性和靈活性。此外，3D 打印還使得研究人員能夠快速迭代設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)中不斷改進(jìn) RAVEN 的性能。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08228-9

總結(jié)
在2024年，Science和Nature兩大頂尖學(xué)術(shù)期刊共發(fā)表了十篇聚焦于增材制造（即3D打印）領(lǐng)域的突破性研究，這些研究拓展了技術(shù)邊界、預(yù)示著制造業(yè)的未來(lái)。研究涵蓋了從新型材料開(kāi)發(fā)、超快打印技術(shù)到生物兼容性應(yīng)用等多個(gè)方面；探索了增材制造在軟機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備、電子元件等前沿科技中的潛力；展示了該技術(shù)如何改變我們生產(chǎn)和使用復(fù)雜定制化產(chǎn)品的模式。隨著這些新技術(shù)逐漸走向商業(yè)化，一個(gè)更加靈活高效且可持續(xù)發(fā)展的制造行業(yè)正在成型。