可编程晶格结构打印出多种生物组织

科技日报北京7月20日电 （记者张梦然）瑞士洛桑联邦理工学院团队开发出一种3D打印的可编程晶格结构，能够使用单一泡沫材料打印出多种生物组织，从柔软的肌肉到坚硬的骨骼均可实现。这一成果发表在最新一期《科学进展》杂志上，为仿生机器人设计开辟了全新路径。

自然界中，动物的复杂运动依赖于软硬组织的协同作用。例如猎豹的高速奔跑、蛇的灵活爬行，以及人类手部的精细抓握，都离不开肌肉、肌腱、韧带与骨骼之间的无缝配合。这些组织共同提供了运动所需的能量、精确度和活动范围。然而，在机器人领域复制这种生物组织的多样性一直是一项巨大挑战。

目前，多材料3D打印技术虽然能够在一定程度上模拟生物组织的多样性，但这种方法在控制刚度和承重能力方面存在局限，难以在整个结构中实现连续调控。此次开发的新型可编程晶格结构，成功将生物组织的多样性与机器人的精确控制相结合。

该晶格由一种简单的泡沫材料构成，其基本单元可以被编程为多种形状和位置。每个单元拥有超过100万种可能的配置，并且可以组合使用，从而产生几乎无限的几何变化。团队利用这种技术，制造了一个仿生大象机器人。它拥有柔软可扭曲的躯干，以及更加坚硬的髋关节、膝关节和足部结构，展现出高度的灵活性与结构的稳定性。

晶格结构的核心在于两种主要单元类型：体心立方单元和X-cube单元。当它们被用于3D打印“机器人组织”时，可以分别呈现出不同的刚度、变形能力和承重特性，并支持无限种组合方式。例如，一个由4个叠加单元组成的晶格立方体可产生约400万种配置，而5个单元则可产生超过7500万种配置。

这种能力特别适用于模仿象鼻等肌肉器官的复杂结构。在大象机器人模型中，这种双重编程功能使得大象躯干的复杂动作得以再现，同时还可保持各部分之间的平滑过渡。

这为未来机器人研究提供了广阔空间。晶格结构具有优异的强度—重量比，类似于蜂窝结构，能够制造出轻便高效的机器人。其开放式泡沫设计也适合在流体环境中运动，赋予结构更多智能化功能。

【总编辑圈点】

在自然界中，许多生物通过巧妙结合刚性结构和柔性组织，实现了高效的运动、适应性和生存能力。这些生物策略为仿生机器人的设计提供了启发。然而，传统机器人受限于材料刚性和驱动方式，难以模拟自然生物“刚柔并济”的特性。正因如此，我们在很多场景见到的机器人都是硬邦邦的，“刚柔并济”的机器人比较少见。最新研究成果利用常见的泡沫材料，3D打印出可编程、可组合的多样化生物组织，为研发“刚柔并济”的仿生机器人提供了一种解决方案。