研究人員開發(fā)Xstrings技術(shù)：3D打印一體化電纜驅(qū)動(dòng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)免組裝制造

2025年3月25日，南極熊獲悉，清華大學(xué)、浙江大學(xué)和麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)的研究人員開發(fā)出一種新型軟件，可以3D打印出具有類似人類運(yùn)動(dòng)能力的物體。這項(xiàng)技術(shù)被稱作“Xstrings”，它能夠自動(dòng)制造出可彎曲、盤繞、擰緊和壓縮的電纜驅(qū)動(dòng)組件。

△Jiaji Li和使用Xstrings方法3D打印的設(shè)備

傳統(tǒng)電纜驅(qū)動(dòng)機(jī)制的設(shè)計(jì)和制造需要復(fù)雜的裝配（如鉆孔、穿線、打結(jié)），而研究人員開發(fā)的Xstrings軟件通過雙材料FDM 3D打印技術(shù)，可以將電纜、關(guān)節(jié)和結(jié)構(gòu)一次性集成打印，顯著減少人工操作時(shí)間和成本。實(shí)驗(yàn)表明，相比傳統(tǒng)方法，Xstrings節(jié)省了約40%的制造時(shí)間。

△相關(guān)研究題目為“Xstrings: 用于致動(dòng)、變形和操縱的3D打印線纜驅(qū)動(dòng)機(jī)制變形和操縱”（傳送門）

這項(xiàng)研究的第一作者、麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）博士后Jiaji Li，將在即將于下個(gè)月舉行的2025年計(jì)算機(jī)系統(tǒng)人為因素會(huì)議（CHI2025）上介紹這篇新研究論文。該論文詳細(xì)介紹了用于驗(yàn)證Xstrings功能的多項(xiàng)測(cè)試。例如，Li的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，3D打印的電纜在斷裂前能夠承受超過6萬次90度的彎曲收縮。研究還發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)速度會(huì)影響電纜質(zhì)量，在260°C下進(jìn)行3D打印時(shí)，打印速度為10 mm/s和15 mm/s時(shí)能夠產(chǎn)生最佳效果。

Li解釋道：“Xstrings軟件能夠?qū)⒏鞣N創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。它使得制造類似人手的仿生機(jī)器人設(shè)備成為可能，這些設(shè)備能夠模仿我們的抓握能力。我們的創(chuàng)新方法有助于任何擁有桌面雙材料3D打印機(jī)的人設(shè)計(jì)和制造電纜驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。”

△由Xstrings軟件3D打印的仿生手指與電纜和各組件的關(guān)系

新型仿生3D打印方法

纜線驅(qū)動(dòng)機(jī)制通過將線穿過分段物體來實(shí)現(xiàn)功能。當(dāng)拉動(dòng)線纜時(shí)，張力會(huì)導(dǎo)致物體彎曲、扭曲或折疊，具體取決于它的設(shè)計(jì)。這種方法在仿生學(xué)中被廣泛應(yīng)用，使機(jī)器人設(shè)備能夠執(zhí)行類似人類的運(yùn)動(dòng)。例如，在機(jī)械手上集成纜線可以使手指彎曲和抓握物體。

新型Xstrings軟件采用了Rhinoceros 8作為設(shè)計(jì)環(huán)境，并利用Grasshopper作為中間計(jì)算工具。用戶首先提交一個(gè)具有特定尺寸的設(shè)計(jì)，然后選擇四種“基元”模式，例如彎曲、卷繞、扭曲或壓縮來定義設(shè)備的運(yùn)動(dòng)方式。用戶還可以指定這些運(yùn)動(dòng)所需的角度。

值得注意的是，多個(gè)基元可以組合成一個(gè)設(shè)備，從而解鎖更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)能力。例如，在創(chuàng)建機(jī)器人爪時(shí)，研究人員將多條電纜以并聯(lián)組合的方式集成在一起，使每個(gè)手指都能夠獨(dú)立地握成拳頭。他們利用Xstrings方法和設(shè)計(jì)工具3D打印了其它幾種多材料機(jī)制，包括行走蜥蜴機(jī)器人、能夠開合的墻壁雕塑，以及能夠纏繞物體的觸手。

Xstrings還允許用戶指定每根電纜在部件內(nèi)的固定位置。例如，在設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人手指時(shí)，通過設(shè)置錨點(diǎn)在指尖，電纜從手指的一端延伸到另一端的拉動(dòng)標(biāo)簽，可以確保電纜的拉動(dòng)操作能夠有效地控制手指的運(yùn)動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)使得部件在組裝和使用過程中更為靈活和高效。

△(a)使用Xstrings打印的樣品，中心部件可以平滑運(yùn)動(dòng)；(b)使用默認(rèn)設(shè)置打印的相同樣品，中心部件會(huì)卡住

使用Xstrings一步3D打印多功能電纜驅(qū)動(dòng)部件

完成模擬設(shè)計(jì)后，用戶可以導(dǎo)出文件并發(fā)送至FDM 3D打印機(jī)。為了確保兼容任何多材料FDM 3D打印機(jī)，研究人員沒有為特定型號(hào)生成G代碼。相反，他們?yōu)楦鞣N切片軟件提供了參數(shù)設(shè)置，并使用UltiMaker S5、UltiMaker 3和Bambu Lab X1 3D打印機(jī)打印了Xstrings測(cè)試設(shè)備。設(shè)備主體采用PLA材料，而電纜則使用尼龍制成。

△Xstrings 3D打印爪，具有四個(gè)具有柔性關(guān)節(jié)的手指和一個(gè)具有機(jī)械關(guān)節(jié)的肘關(guān)節(jié)

現(xiàn)階段，研究人員的新工藝能夠在一步內(nèi)制造出功能部件，只需放置水平電纜并圍繞電纜進(jìn)行打印。迄今為止，這種方法已用于生產(chǎn)外部堅(jiān)硬而內(nèi)部柔軟靈活的部件。未來，研究人員的目標(biāo)是通過3D打印外部柔軟、內(nèi)部堅(jiān)硬的設(shè)備，以模仿人類的皮膚和骨骼。他們還計(jì)劃探索更耐用的電纜，并嘗試以不同角度或垂直方式嵌入電纜。

未來，研究人員相信，他們的新方法將為多種應(yīng)用帶來價(jià)值，包括空間站和外星基地使用的纜繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人、仿生設(shè)備、可調(diào)節(jié)的時(shí)裝設(shè)計(jì)以及交互式藝術(shù)品等裝置。