基于STREAM的流体印刷电路板自动布线技术：推动软体机器人流体控制系统的革新

这篇综述介绍了STREAM（流体高效路由高级宏流体软件工具），这是一款基于Blender开源平台的自动化设计工具，能够实现流体电路板（FCB）的自动布线和3D打印。通过改进的A*算法和建模技术，该工具成功解决了软体机器人中气动控制元件互联的瓶颈问题，在六足机器人、环形振荡器和全加器等复杂系统中展示了卓越性能，为微流控平台和生物混合系统等应用提供了创新解决方案。

　　

引言：软体机器人技术的新挑战

与传统刚性机器人相比，由柔性材料制成的软体机器人展现出独特的物理适应性、抗损伤性和结构简单性等优势。然而，其控制系统仍主要依赖刚性电子元件，这限制了软体机器人的发展。为实现真正意义上的"机器人材料"，研究人员开始探索完全集成的流体控制电路，特别是气动驱动的软体机器人系统。软双稳态阀作为核心逻辑元件，可通过压力差驱动半球形膜片翻转，实现类似CMOS技术的互补开关功能。这些阀门可配置为NOT、AND、OR等逻辑门，甚至构成非易失性存储器和中央模式发生器。

STREAM软件工具的创新突破

STREAM作为Blender的开源插件，采用Python编写，其功能类似于电子PCB设计工具。该工具包含四个关键工作流程：连接规划、管道布线、管道建模和连接集成。在连接规划阶段，用户通过图形界面分配输入输出端口；管道布线采用改进的A算法计算优化路径；管道建模将路径转化为3D可打印几何体；连接集成则通过连接组件合并多路交叉点。特别值得注意的是，STREAM的改进A算法在3D网格空间中运行，通过自定义成本和启发式函数考虑制造约束，优先考虑垂直运动和最小化方向变化，显著提高了可制造性和流动效率。

技术实现细节

STREAM的图形用户界面(GUI)提供了结构化设计环境，包含组件导入、连接添加、管道属性设置等功能模块。组件库包含双稳态阀、执行器、机器人主体等多种流体元件，支持用户自定义扩展。在障碍物规避方面，软件采用DistanceToMesh函数计算查询点到网格表面的有符号距离，确保生成的路径不会与用户定义的障碍物发生碰撞。通过调整网格分辨率、管道尺寸和连接密度，STREAM可支持从微流控到宏观流体电路的设计，展现出优异的规模适应性。

应用实例展示

研究人员开发了三种创新应用来验证STREAM的性能。首先是软体六足机器人，采用3D打印流体电路板(FCB)驱动，通过两个环形振荡器产生振荡信号控制六条气动驱动腿的运动。其次是可变频率环形振荡器，通过开关门改变环路中NOT门的数量，实现了频率从3Hz到2Hz的调节。最具代表性的是流体全加器电路，将传统需要96个连接点的手工组装简化为仅需15个连接点的3D打印方案。这些案例充分展示了STREAM在简化复杂流体系统设计方面的强大能力。

未来展望与结论

STREAM作为开源设计工具，其未来发展将聚焦于组件库的扩展和流体分析工具的集成。特别是在微流控和生物混合系统领域，该技术展现出广阔的应用前景。通过自动化设计和3D打印制造，STREAM有效解决了流体电路设计中的关键瓶颈，为软体机器人、可穿戴设备和生物医学工程等领域的创新提供了新的技术路径。这项工作的开源特性也将促进科研社区的广泛参与和持续改进。