自适应核壳 3D 打印空心纤维致动器的研究：实现可编程运动与多领域应用

本文聚焦自适应核壳 3D 打印（ACS-3DP）技术，开发单步制造空心纤维致动器的新方法，可精准调控壁厚与亚体素分辨率，简化充气软体致动器制备。通过辅助系统与仿生系统验证，为机器人、医疗等领域提供高精度制造平台。

　　

软体机器人领域中，软体致动器因可与环境安全交互而备受关注，但其复杂空心结构制造受限。传统方法如模塑或先进 3D 打印难以满足精密几何与高气密性需求。为此，研究提出自适应核壳 3D 打印（ACS-3DP）方法，基于自适应喷嘴与同轴多材料挤出，实现空心纤维致动器的整体制造，可实时调控壁厚与截面形状。

ACS-3DP 打印头采用轻质设计，兼容低成本桌面 3D 打印机，通过微芯片控制打印头运动与驱动，结合容积式挤出机精准控制流速。其核心结构为圆形实心核（半径 r_h）外覆自适应壳，可打印长纤维（长度 L?直径 2R_f）或悬空挤出薄壁短纤维。八边形出口由金属销与硅胶膜构成，通过执行器控制顶点半径（r₁、r₂），实现固定段与变形段的可控制造。以改性聚二甲基硅氧烷（PDMS）为材料，其未固化时屈服应力 τ_y=500 Pa，固化后断裂伸长率约 500%，适合充气纤维场景，其他材料如 Ecoflex 需流变改性剂以保证可打印性。

流体流动模拟显示，喷嘴不对称导致出口流速不均，窄间隙流速低于宽间隙，引发打印纤维壁厚比（τ=T₁/T₂）与喷嘴设计值偏差，且不对称度越高，偏差越大。通过固定截面喷嘴复制品实验验证，打印方向会影响壁厚分布，但整体表面质量随不对称度增加而下降，过度不对称易导致气孔甚至结构破裂。重复打印测试表明，ACS-3DP 具有高重复性，不过高不对称配置稳定性略低。

有限元分析揭示，充气纤维弯曲角度 α 与驱动力 F_act受不对称度 τ、关节长度 L_a、面积比 A_ratio等参数影响。α 随 τ、L_a、A_ratio增大而增加，F_act与压力呈指数关系，大孔径纤维可产生更高力值（如 R_h=3 mm 时约 0.2 N/100 kPa）。通过设计多段不同壁厚纤维，可实现复杂 3D 变形序列，验证了编程运动的可行性。疲劳测试显示，大变形下纤维约 100 次循环后破裂，小变形时可维持数千次稳定运动。

在应用层面，定制化手部辅助装置通过五根纤维对应手指关节，固定段匹配指骨，变形段位于关节处，独立气压控制（p₁-p₅）实现捏取、三脚架抓握、钩握等模式，单关节驱动力约 1 N（150 kPa），接近同类软致动器性能。仿生海龟机器人则利用单压力源驱动含五段结构的纤维鳍，通过壁厚差异实现顺序弯曲（Y - 方向先于 X - 方向），结合材料滞后性完成向前爬行，单周期（2 秒）前进 4.3 mm。

研究展望提出，未来可引入牺牲材料共挤出以增强空心结构稳定性，集成多材料或亚体素打印技术提升致动器功能，开发多自由度纤维系统，拓展在传感、复杂环境作业等场景的应用。ACS-3DP 凭借快速定制、低成本等优势，为软体机器人、生物医学支架、智能过滤系统等领域提供了高效制造范式，有望推动下一代柔性器件的规模化应用。