单材料3D打印革命性技术！EPFL 开源晶格编程技术实现仿生机器人全结构一体化 3D 打印

南极熊导读：通常情况，一种材料只能打印一种力学性能的零件，要想实现不同力学性能零件的组合，需要用到不同的材料。

传统的软硬机器人制造，一直受困于多材料界面易失效、工艺繁杂等难题。而 EPFL 的 CREATE 实验室提出了 “结构定义功能” 的全新范式，仅仅使用一种光敏树脂（Creality F80），就通过微观晶格拓扑调控，实现了从软组织（25 kPa）到类骨结构（50 MPa）的连续力学梯度，这无疑是机器人制造领域的一次重大突破。



一、核心原理：几何编程颠覆多材料依赖

1. 拓扑调控（TR）—— 连续渐变的关键

拓扑调控是实现材料力学性能连续渐变的核心所在。其基础单元由体心立方（BCC，各向同性）与 XCube（高度各向异性）构成，二者分别处于性能光谱的两端。为了实现连续渐变，研究引入了拓扑指数（ ），通过 TI 从 0 到 1 的连续变化，来调节 BCC 与 XCube 的混合比例。
这种空间编程的应用十分巧妙，以象鼻为例，根部的 TI=1，使其具备轴向刚性承重的能力；而尖端的 TI=0，则保证了柔性弯曲和缠绕操作，在 322.5mm 的长度内实现了刚度的无级过渡。并且，这种梯度设计带来了显著的性能增益，弯曲模块的角度提升了 30%（达到 69.6°），扭转模块角度更是达到了 78.1°。

2. 叠加编程（SP）—— 各向异性强化术

叠加编程是增强材料各向异性的重要技术。其中，方向控制（DSP）通过旋转晶格单元方向（DI=0~3），能够使特定方向的刚度提升 10000 倍；平移叠加（TSP）则通过位移单元增强连接性，让刚度提升 3~8 倍。

更令人惊叹的是，四重叠加可以生成 400 万种构型，五重叠加更是突破了 7500 万种，为材料性能的多样化提供了巨大可能。

技术维度	控制参数	性能范围	仿生对应
TR	拓扑指数（TI）	刚度 25–300 kPa	脂肪→肌腱渐变
SP	方向 / 平移指数	各向异性比达 10000:1	骨骼定向承重

二、制造全流程：开源工具链 + 关键工艺参数

1. 设计到打印的开源生态

在设计到打印的流程中，形成了完善的开源生态。通过 MATLAB/Python 进行参数化生成，定义 TI 场与 SP 域，优化关节弯曲角度等力学行为；再利用 OpenSCAD 自动建模，将晶格参数转换为 3D 模型，支持锥形渐变等复杂几何；最后通过 Hob3l 导出 STL 文件，该开源工具输出的可打印文件兼容主流切片软件。

2. 打印工艺与防失败方案

打印所使用的设备为 Halot-Mage Pro 光固化打印机（层厚 0.05mm），材料是 F80 弹性树脂（RESIONE），单次成型无需后处理。在防融合方面，关键在于 SP 结构梁厚≤0.5 mm (单元尺寸 5mm)，以此避免单元叠加粘连。

3. 结构优化经典案例

象鼻的设计采用半径 48→24 mm 渐变，梁厚 1.3→0.5 mm 渐变，同时不同功能区的径向拓扑分布沿轴向连续变化实现了根部承重与尖端柔韧的结合。关节方面，髋关节采用四重 SP 晶格（刚度↑300%），韧带用双重 SP 晶格实现高拉伸比。

三、性能实证：仿生大象机器人的 3D 打印里程碑

1. 柔性象鼻（TR 技术主导）

柔性象鼻具备出色的运动能力，可实现扭转（78.1°）、弯曲（69.6°）、螺旋缠绕等动作。在功能极限上，它能抓取直径 0.1 mm~100 mm 的物体（从薄膜到圆柱体），负载可达 500 g（超自重 3 倍），还能精准取花而不损伤花瓣（视频 S1）。



2. 刚性腿部（SP 技术主导）

刚性腿部的关节性能优异，平面关节可滑动 30 mm（模拟足骨），单轴关节可弯曲 ±50°（模拟膝关节），双轴关节可全向弯曲 40°（模拟趾关节）。在承载能力上，自重 3.89 kg 的情况下，额外负载 4 kg 仍能三足稳定站立。



3. 系统集成优势

该系统集成具有诸多优势，晶格结构轻量化，减重 70%，适合无人机 / 航天部件；开放结构降低水流阻力，支持水下探测机器人；晶格内腔还可预埋驱动管与传感器通道（图 2），便于智能扩展。



四、行业价值与未来演进

1. 当前突破性意义

这项技术当前具有突破性的意义，它简化了制造过程，用单材料取代多材料拼接，消除了界面失效风险；性能覆盖范围广，25–300 kPa 刚度范围匹配生物软组织需求，1-50MPa 匹配生物较硬的结缔组织；而且 MATLAB/OpenSCAD/Hob3l 工具链全开源，降低了研发门槛。

2. 局限与应对策略

不过，该技术也存在一定局限，目前刚度上限 50MPa 低于真实骨骼（GPa 级），解决方案是引入金属 / PLA 晶格编程（论文已预告）；同时设计复杂度较高，需要结合 FEA 与机器学习优化拓扑场。

3. 应用场景拓展

在应用场景方面，未来可拓展至医疗领域，如植入式血管机器人（晶格内腔集成药物缓释单元）；航天领域，如轻量化空间机械臂（减重 70%+ 抗振动结构）；以及水下探测领域，如流体自适应机器人（开放结构降低阻力）。

五、为 3D 打印社区提供的核心资源

1. 开源工具链

包括 MATLAB/Python 脚本生成 TI场/SP 域、OpenSCAD 自动建模、Hob3l 输出 STL3。

2. 工艺兼容性

根据作者测试该设计方法不仅兼容普通的树脂光固化技术还能兼容其他粉末烧结，喷墨粘结，甚至FDM等3D打印技术。


3. 设计库扩展

支持 Kelvin/Octahedron 等多种晶格接入 TR/SP 系统，可利用遗传算法或多目标优化调节刚度分布。

突破点	实现效果	工业价值
单材料刚度编程	25 kPa~50MPa 连续渐变	在多数结构设计应用场景替代多材料打印机，与多材料打印结合更能够极大拓展 3D 打印技术的能力边界。
晶格各向异性控制	方向刚度差异达 10000 倍	定制承重结构
开源制造工具链	MATLAB/OpenSCAD/Hob3l 全流程开源	社区协作开发基础

论文及资源：

Guan et al., Sci. Adv. 11, eadu9856 (2025)
补充材料：STL 生成脚本、打印参数表、运动控制代码（MATLAB SDK）
这项技术标志着机器人制造从单纯 “材料决定功能” 转向结合 “结构定义性能”，为轻量化、高适应性机器人提供了可扩展的制造范式。其开源生态将加速仿生机器人在医疗、航天及水下探测领域的应用落地。