通过参数化设计与3D打印柔性结构加速肌肉骨骼机器人技术

《Advanced Intelligent Systems》：Accelerating Musculoskeletal Robotics Through Parametric Design and 3D-Printed Flexible Structures

　　

摘要：人体通过肌肉、肌腱、韧带和缓冲组织等协调的软组织元素实现平滑运动。传统肌肉骨骼机器人通常使用线缆或刚性关节简化这些结构，限制了生物柔韧性，并需要大量定制化设计。因此，目前仍缺乏一个用于设计仿生柔顺元件的统一框架。本研究将参数化设计（parametric design）与柔性3D打印（3D printing）相结合，通过使用单一热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane，TPU）材料的统一制造工艺，生成受肌肉、肌腱、韧带和缓冲组织启发的柔顺元件。通过调节图案参数（如晶格密度和支杆厚度），可针对身体不同区域定制力学性能。此外，基于韧带的关节约束和集成肌腱驱动（tendon-driven actuation）机制，使研究能够在外部悬吊支撑下，实现生命尺度（life scale）的多关节腿部连续协调运动，并提供部分体重支撑，躯干滚转（roll）、俯仰（pitch）和偏航（yaw）均被约束在?20°至+20°范围内。这些结果验证了图案化柔性结构作为肌肉骨骼机器人构建的实用框架，简化了从设计到制造的流程，并实现了可扩展的仿生系统，有望扩展到全身人形机器人和嵌入式传感领域。

论文解读：通过参数化设计与3D打印柔性结构加速肌肉骨骼机器人技术

一、研究背景与问题

人体通过肌肉、肌腱、韧带和缓冲组织等多样化软组织元素的协调配合，实现复杂而平滑的运动。理解这些软组织机制并在机器人中复现，是运动科学研究和高级机器人功能获取的重要挑战。肌肉骨骼机器人通过模拟生物体中肌肉拉动骨骼产生运动的驱动原理，为理解运动机制和复现身体功能提供了途径。

然而，传统肌肉骨骼机器人研究存在三大核心问题：第一，生物体的软组织元素种类繁多、性质和分布随身体区域差异显著，统一复现十分困难；既往研究多采用线缆或刚性连杆替代肌肉和韧带，这些非生物结构与生物软组织的形态、材料和功能原理差异巨大，限制了肌肉、肌腱和韧带固有柔韧性与多功能性的复现。第二，每个身体部件往往需要单独设计，缺乏统一的设计原则。第三，制造过程常需多种材料和熟练的手工操作，限制了效率和通用性。

尽管已有Kenta、Kotaro、Kojiro、Kenzoh、ECCEROBOT系列、Roboy、Kenshiro、Kengoro和Musashi等众多肌肉骨骼机器人实现了肌肉数量和排列的高保真复现，但对缺乏肌肉体积的线缆和简单旋转关节等替代结构的过度依赖，限制了生物力学特性和柔性组件间相互作用的复现。同时，气动肌肉执行器、折纸结构、HASEL执行器和线驱动执行器等新兴方案虽被提出，但缺乏统一设计原则，且多依赖多材料使用和手工制造，导致生产复杂低效。近年来，3D打印技术的进步使柔性复杂形状身体元件的廉价快速制造成为可能，参数化设计在建筑领域的发展也为其在工程设计的应用提供了新思路。因此，将3D打印与参数化设计相结合，有望实现柔性身体元件的统一高效设计与制造。

二、研究内容与结论

针对上述挑战，研究人员提出了一种融合参数化设计与熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）3D打印的统一设计与制造框架，通过共享的参数化工作流程，使用单一热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane，TPU）材料生成受肌肉骨骼启发的柔性元件。该框架的核心是“柔性图案结构”（Flexible Pattern Structure），包括三维晶格结构和二维表面图案结构。通过调整晶格密度、支杆直径等结构参数，可在同一拓扑结构内实现各向异性刚度调节、肌肉-肌腱梯度生成、韧带关节约束构建以及多种柔性元件的系统级集成。

研究人员首先在单元结构层面进行了系统的力学表征，包括速率相关滞后、循环加载疲劳、蠕变与恢复等测试。结果表明，肌肉型结构在压缩下表现出适度的速率强化效应，打印方向对表观模量有约1.5倍的影响；肌腱型结构的力学性质受打印方向影响相对较小。在999次循环加载后，两种结构均表现出初始显著下降后逐渐稳定的响应，未发生断裂。蠕变测试显示，压缩中瞬时位移占主导，而拉伸中时间依赖分量相对较大，卸载后30分钟恢复率为0.862–0.906。

在元件层面，研究人员通过参数化设计生成了肌肉、肌腱和缓冲元件。通过调整支杆直径p、晶格间距x、y、z等参数，可在同一晶格拓扑内实现功能分化：肌肉元件作为高变形柔性元件，肌腱元件作为高刚度弹性传动元件。例如，将p从1.5mm增至3mm可使杨氏模量指数级增加约28倍；肌肉元件压缩刚度约1.3N/mm，肌腱元件拉伸刚度约15N/mm。足底缓冲元件通过支杆方向和厚度梯度实现了阈值强化特性。

在关节与韧带层面，研究人员提出将二维图案投影到三维关节表面以构建韧带约束的方法。通过展开圆柱面为二维平面、排列不同方向和密度的图案并投影回三维表面，可指定不同的关节约束方向。利用该方法，研究人员构建了髋关节（球关节）、膝关节（单自由度铰链）和踝关节（屈伸铰链），其活动范围分别为髋关节屈曲90°/伸展30°/外展60°/内收30°、膝关节屈曲150°、踝关节背屈30°/跖屈15°，与典型人体关节活动范围相当。在999次循环运动后，关节仍保持大部分初始扭矩（髋关节90°屈曲约87%、膝关节135°屈曲79%、踝关节30°背屈94%），确认关节在无约束失效的情况下正常运行。应力松弛测试显示，释放后虽出现初始扭矩下降，但随时间推移原始约束力得以恢复。

在系统集成层面，研究人员将上述柔性元件集成为一个生命尺度（0.95m）的下肢模型，包含骨盆、股骨、胫骨和足四块骨骼，髋、膝、踝三个关节，以及六块主要肌肉（MA髋伸展+膝屈曲、MB髋内收、MC髋屈曲、MD髋屈曲+膝伸展、ME髋外展、MF膝屈曲+踝跖屈）。通过电机和滑轮驱动的线缆卷绕机构，结合鲍登（Bowden）线缆将动力传输至各肌肉，实现了多肌肉驱动。在运动实验中，通过指令控制各肌肉连接的线缆长度，研究人员验证了髋关节屈曲与膝关节伸展、髋关节伸展、髋关节外展、膝关节屈曲和踝关节跖屈五种代表性运动，证明了拮抗关系和双关节肌肉在生命尺度腿部中的协调运动可行性。最后，研究人员将单腿原型扩展为双足机器人，在外部悬吊支撑下（躯干滚转、俯仰和偏航均约束在±20°内），通过预设的肌肉线缆长度时序指令，实现了短步幅（0.4m，周期1.6s）和长步幅（0.8m，周期2.4s）两种条件下的周期性交替迈步运动，验证了连续协调多关节运动在生命尺度上的可行性。

该研究发表在《Advanced Intelligent Systems》期刊上，其重要意义在于提出了一种统一的、基于单一TPU材料和柔性图案结构的肌肉骨骼机器人构建框架，简化了从设计到制造的集成工作流程，实现了可扩展的仿生系统，为全身人形机器人和嵌入式传感等未来应用奠定了基础。

三、关键技术方法

研究人员采用了以下主要关键技术方法：参数化设计（parametric design），基于Rhinoceros 8和Grasshopper软件，通过Python脚本生成由体积区域输入和图案参数驱动的身体元件；柔性图案结构生成，包括三维晶格结构（由连接长方体顶点与中心的支杆单元重复排列构成）和二维表面图案结构（将平面图案投影到圆柱面等曲面）；FDM 3D打印技术，使用TPU95A材料（杨氏模量横向9.8±0.7MPa、纵向7.4±0.6MPa，断裂伸长率横向650%、纵向480%），采用Prusa XL打印机，骨骼使用PLA打印；肌腱驱动系统，采用Maxon EC-4pole电机配备53:1齿轮箱和编码器，通过鲍登线缆将动力从骨盆框架传输至各肌肉。

四、讨论与结论

讨论部分指出，该研究的贡献不在于单独使用Rhino/Grasshopper或FDM打印，而在于将这些现有工具组织成针对多种功能不同肌肉骨骼元件的统一设计-制造工作流程，并将所得元件集成到解剖学组织的生命尺度系统中。在元件层面，研究证明可通过同一晶格拓扑内的参数差异实现功能分化；在系统层面，单腿原型通过拮抗和双关节肌肉组合复现了代表性关节运动，双足机器人在外部支撑下表现出前后迈步运动。关于刚度调节，研究提出两种互补策略：通过集体改变晶格尺寸进行宽范围调节，以及通过变化单个几何参数进行精细调节。研究还讨论了TPU的粘弹性特性（蠕变、应力松弛和循环加载下力学响应变化）对实际运行的影响，建议在部署前进行预处理以减小初始瞬态效应。在制造权衡方面，仅使用TPU 3D打印消除了模具制备和复杂后处理，但生命尺度软部件的打印时间较长（每个肌肉20–40小时）是不可避免的限制。与生物组织相比，该机器人存在核心差异：驱动由电机和线缆实现而TPU晶格提供串联弹性和缓冲；稀疏TPU晶格在纵向收缩时内部塌陷而非横向膨胀；粘弹性TPU元件不可避免地经历长期疲劳，但无模具3D打印允许快速低成本再制造。

研究结论指出，该研究存在两个主要局限：一是尚未建立将晶格几何与力学性质关联的通用解析设计模型，当前依赖经验设计规则，且设计图谱特定于TPU95A和测试的FDM条件；二是原型尚未实现无外部支撑的自主行走，外部悬吊提供了部分体重支撑并约束躯干姿态。未来工作将聚焦于全身扩展和利用软结构被动适应性的环境接触运动，通过机器学习方法获取身体图式有望补偿不确定性并实现自主运动。总之，该研究证明基于单一材料TPU和柔性图案结构的集成方法适用于生命尺度肌肉骨骼系统，为在统一原则下连接传统上碎片化的仿生机器人软元件设计提供了基础。