编辑推荐：
本文聚焦软机器人领域，介绍开源 flex printer 平台（柔性打印机平台）。该平台解决了软机器人制造难题，能快速可靠生产超柔性软机器人，为软机器人在医疗、制造等领域应用奠定基础，推动该领域标准化和规模化发展。
引言
“软机器人” 是软机器和软系统更广泛领域的一个子学科。软系统融合了生物启发、材料科学和实体 / 物理智能三个主要领域的进展。当前软系统的前沿研究正在模糊工程系统和生物学之间的界限，创造出生物机器人混合体。在过去 15 年里，软机器领域在流体控制软机器人方面取得了巨大进展，甚至出现了商业化系统。然而，由于缺乏标准化的制造和设计流程，实验室成果向实际应用的转化受到了阻碍。本文旨在介绍一种制造平台和一套设计规则，为研究成果在实验室间的交流以及规模化生产奠定基础。
研究表明，流体软机器的创新有望极大地增强人机协作，使系统能够适应未知和危险的环境，并创造出可穿戴的辅助设备。这一新兴技术正在彻底改变人们对 “机器人” 一词的认知，其潜在影响巨大，不仅体现在材料硬度的差异上，更在于它是实体智能的有力展示。
标准化的意义
在软机器人这一领域，随着研究的推进，标准化变得愈发重要。从基础研究到商业应用的发展历程显示，该领域正朝着需要标准化的方向成熟，以便能够共享为标准化流程构建的数字设计。这一模式与 “FabLab” 哲学相似，即通过建立标准和铸造工艺推动了微电子革命。
在微电子领域，设计师能够在标准化流程内发挥创造力，因为他们知道自己的设计能够被制造出来。知识产权模块（IP blocks）使团队能够从库中继承设计，并形成了一个许可和再许可的市场。FabLab 倡议则实现了设计的开源共享，使得在任何一个 FabLab 设计和构建的原型和产品，都可以通过共享数字文件在其他 FabLab 中复制。
在软机器人领域，本文希望发布部分原型制作 / 铸造流程，并为社区如何共享 IP 模块奠定基础，无论是开源还是通过商业许可的方式。
软机器人制造面临的挑战与突破
3D 打印因其多功能性和生产复杂几何形状的能力，成为流体软机器人制造的主要方法。然而，像 PolyJet 打印机、数字光处理（DLP）等技术，由于打印机成本高、占地面积大、可用性低等原因，不太可能使该领域实现可持续的规模化发展。立体光刻（SLA）和选择性激光烧结（SLS）打印等技术，也存在可打印几何形状的限制，或者需要在专门环境中进行复杂的后处理，以避免有害溶剂或粉末的污染。
熔融沉积建模（FDM）在成本、内部制造能力等方面具有优势，但在打印软机器人时也面临挑战。例如，流体软机器人需要薄且高弹性、气密性好的膜，而 FDM 打印时，弹性体材料的肖氏硬度越低，打印难度越大。使用细丝挤出系统打印 “超柔性” 材料（如肖氏硬度约 80A 及以下的热塑性聚氨酯（TPU）细丝）时，容易出现细丝弯曲、挤出机堵塞和挤出不一致等问题，这些问题会导致打印缺陷，影响流体系统的气密性。
尽管此前有关于 FDM 打印软致动器的研究，但打印更先进系统的显著进展直到最近才出现。一些研究虽然在打印流体逻辑架构的弹性组件方面取得了进展，但最终系统仍需要额外的刚性部件和手动后处理组装。
能够快速可靠地生产具有集成流体控制、驱动和传感功能的整体式软机器人，不仅能够推动研究领域的创新，还能开启实际应用。例如，这类机器人可以在高爆炸风险区域（如石油和天然气领域）、核退役部门、太空探索以及磁共振成像（MRI）机器内运行的生物医学设备等领域发挥作用。
此前已有两篇关于整体打印的流体步行机器人的报道，但尚未有人实现让机器人自主走出制造它的机器这一目标。本文展示了如何实现这一重要里程碑，并介绍了一个框架，使其他人能够在此基础上进行拓展。
flex printer 平台介绍
本文介绍的 flex printer（柔性打印机）是一个开源设计，组装成本低于 500 美元。它解决了 FDM 打印超柔性 TPU 时的关键可靠性问题，即使没有先前经验的人也能快速可靠地生产流体软机器。
flex printer 的总体设计理念是去除不必要的部件，并进行修改以大幅减少定期维护的需求。它经过优化，易于构建和操作，适合该领域的新手。其创新的硬件设计和倒置打印方向，为软机器人制造带来了新的可能性。
结果与讨论
- 使用更粗的细丝直径：打印柔性材料时，超柔性细丝容易在压缩载荷下弯曲，导致挤出不一致甚至堵塞。使用 2.85 毫米直径的细丝（比常用的 1.75 毫米细丝更粗），根据欧拉屈曲理论，其抗弯曲能力提高了约 7 倍，同时相同的挤出机可以用更大的力推动细丝通过喷嘴。在 12 个月内，使用两台机器连续打印低硬度的商业细丝（Recreus FilaFlex 63A），仅出现了 3 次挤出机堵塞，且细丝未缠绕在挤出机齿轮上。这一修改显著提高了对次优打印设置和刀具路径的容忍度，降低了对专业知识的要求。
- 高速加速和移动速度减少回缩需求：FDM 打印机在打印过程中通常需要回缩细丝以防止渗料，但这会影响打印的尺寸精度，甚至导致流体通道堵塞。flex printer 通过采用 CoreXY 运动系统、共振补偿（Klipper “input - shaping”）和基于 Voron0 开源设计的紧凑刚性框架，实现了非常高的加速度（超过 10,000mm2/s）和移动速度（超过 500mm/s）。在如此高的速度下移动，细丝渗料现象减少，无需进行回缩调整，同时较小的打印床尺寸（12×12×12cm）也减少了对精确床面调平的需求。
- 对 PEI 的良好粘附性消除了对加热床的需求：flex printer 配备的聚醚酰亚胺（PEI）片与 TPU 具有出色的粘附性，即使在倒置打印时也无需加热床。这不仅简化了组装过程，还降低了总体物料清单成本。
- 开放设计改善冷却效果：更好的冷却有助于实现更快、更可靠的打印，同时有利于打印复杂几何形状，减少对支撑结构的需求。flex printer 使用 DragonBurner 挤出机和大型 4010 风扇实现更好的冷却，其开放设计改善了空气流通，也简化了组装过程。
- 减少维护需求的挤出机组件：铜镀喷嘴具有良好的热传递特性，TPU 不易粘附在上面，减少了细丝堵塞的可能性。热端采用的钛合金热断裂比不锈钢热断裂散热更好，可防止细丝在熔化区外过早加热。使用的开源直接驱动 Orbiter F2.85 挤出机价格便宜、易于获取，其轨道齿轮箱能产生足够的力，实现一致的挤出，并且细丝路径合理约束，减少了细丝缠绕在挤出机齿轮上的可能性。
- 倒置 FDM 打印的优势
- 实现新型结构打印：倒置 FDM 打印为流体软系统的发展带来了革命性的新能力。例如，可以可靠地打印薄的气密膜，即使高度任意（如高度达 118mm，填满整个可打印体积）。这对于流体系统的运行至关重要。
- 减少支撑需求：在倒置方向上，打印薄的垂直膜更加容易，因为重力有助于稳定垂直结构，而不是使其在自身重量下弯曲。这对于软系统和机器人的打印非常重要，因为它们通常需要薄的变形膜来运行。
- 创造新型支撑结构：倒置打印还使得打印新型支撑结构 ——“aero supports”（薄 “空气” 支撑）成为可能。这些支撑结构由薄的垂直柱（1 - 3 个喷嘴挤出宽度）组成，能够支撑打印物体的重量，且打印后易于去除，减少了打印时间和细丝使用量。此外，它们主要在轴向（垂直）方向约束物体，利用这一特性，实现了让机器人在打印后自主走出打印床。
- 展示机器人走出 3D 打印床
- 流体机器人设计优化：为了实现机器人走出打印床的目标，对流体机器人的设计进行了优化。其步态采用了 Conrad 等人的设计，通过两个 “韧带” 致动器横向移动每个肢体，一个 “脚” 致动器抬起肢体离开地面。利用高度集成的流体逻辑架构，最小化了机器人的尺寸和质量。机器人的核心是一个 CMOS 气动环形振荡器，输出 3 相振荡压力信号。
- 测试过程：在测试时，将打印后的机器人连接到提供 2.25 bar 正压的气动压力源。连接时需小心避免意外移除打印支撑，打印完成后，通过自动机制移除并重新定向构建板，使机器人处于直立位置进行行走测试。最终，机器人成功在 2.25 bar 的压力下走出打印床。
开源平台的协作发展
为了促进开源平台的发展，将打印机文件托管在 GitHub 存储库上，由 IEEE 软机器人技术委员会主办的在线平台 Soft Robotics Forum 管理。同时，在 Discord 上的 Soft Robotics Forum 服务器上设立了专门的频道，方便国际研究社区成员进行协作研究。新人可以在组装打印机时寻求帮助，之后也可以贡献自己的建议、想法和改进方案，所有自定义修改都可以直接作为拉取请求提交到共享存储库。
未来发展方向
未来，希望更多人参与到该项目中，将其发展成为一个为全球研究人员和学生提供民主化技术访问的平台。建议的发展方向包括实施闭环打印和校准方法，如 Wu 等人和 Read 等人讨论的方法；增加多材料打印能力，如 Aygül 等人讨论的内容；重新设计挤出机，以进一步改善冷却、缩短细丝路径并实现偶尔维护程序的自动化。相关想法可在 GitHub 页面上查看，并且始终接受新的建议。
流体机器资料库
为了推动围绕可重用流体系统模块发展的新经济，建立了另一个存储库，用于与社区共享流体系统 IP 模块。这个资源使得重新配置现有流体组件模块以创建全新设计变得更加容易，鼓励其他人提交自己的设计模块，加速流体软系统的发展。
结论
本文介绍的 flex printer 项目，通过一系列硬件修改，解决了可打印软机器人制造中的基本困难，能够可靠地打印超柔性材料，且无需专业知识。倒置打印方法特别适合打印流体控制架构和软机器人。通过展示打印出能够自主走出 3D 打印床的软机器人，实现了该领域的一个重要里程碑，为软机器人的发展奠定了基础。
