《Nature》：MIT、Inkbit和ETH合作开发多材料VCJ打印技术，比传统喷墨打印快660倍

2023年11月16日，南极熊获悉，来自麻省理工学院、先进增材制造解决方案的先驱Inkbit™公司和苏黎世联邦理工学院的研究人员联合开发了一种新型 3D 喷墨打印系统，展示了如何使用其视觉控制喷射(VCJ)技术直接在一次打印中制造复杂的多功能系统，无需组装子组件，并且可使用更广泛的材料。他们所采用的视VJC技术利用计算机视觉自动扫描 3D 打印表面并实时调整每个喷嘴沉积的树脂量，以确保任何区域的材料适当。

由于不需要机械部件来平滑树脂，因此这种非接触式系统所使用的材料比传统 3D 打印中使用的丙烯酸酯固化得更慢。一些固化速度较慢的材料化学成分可以提供比丙烯酸酯更好的性能，例如更大的弹性、耐用性或寿命。此外，自动系统可以在不停止或减慢打印过程的情况下进行调整，使这款生产级打印机比同类 3D 喷墨打印系统快约 660 倍。研究人员使用这台打印机创建了结合软质和刚性材料的复杂机器人设备。例如，他们制作了一个完全 3D 打印的机器人抓手，形状像人手，由一组加固但灵活的肌腱控制。

这项具有里程碑意义的研究以题为“Vision-controlled jetting forcomposite systems and robots”的论文被发表在《Nature》杂志上。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06684-3

麻省理工学院电气工程和计算机科学教授，领导麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室(CSAIL) 的计算设计和制造团队成员、论文共同通讯作者 Wojciech Matusik 说：“我们的主要研究内容是开发机器视觉系统和完全主动的反馈回路。这几乎就像赋予打印机一双眼睛和大脑，眼睛观察正在打印的内容，然后机器的大脑指导它下一步应该打印什么。”

与Matusik一同撰写论文的还有苏黎世联邦理工学院的博士生托马斯·布赫纳 (Thomas Buchner) 和共同通讯作者罗伯特·卡茨施曼 (Robert Katzschmann) 博士，他是苏黎世联邦理工学院软机器人实验室的机器人学助理教授，以及苏黎世联邦理工学院和 Inkbit 的其他人。这项研究的部分资金由瑞士信贷、瑞士国家科学基金会、美国国防高级研究计划局和美国国家科学基金会资助。

△研究人员使用他们的打印系统来创建结合软质和刚性材料的复杂机器人设备。由于打印机有 16,000 个喷嘴，该系统可以控制正在制造的设备的精细细节。此渲染显示打印机已完成一半的对象。

智能喷墨

借助 3D 喷墨打印系统，工程师可以制造具有柔软和刚性组件的混合结构，例如机器人抓手，其强度足以抓住重物，但又足够柔软，可以与人类安全互动。

这些多材料 3D 打印系统利用数千个喷嘴沉积微小的树脂液滴，用刮刀或滚筒将其平滑，并用紫外线固化。但平滑过程可能会挤压或涂抹固化缓慢的树脂，从而限制了可以使用的材料类型。

这篇来自 ETH、Inkbit 和 MIT 的论文构建了一种名为 MultiFab 的低成本多材料 3D 打印机，研究人员于 2015 年推出了该打印机（最终形成了 Inkbit 当前的系统）。通过利用数千个喷嘴沉积紫外线固化的微小树脂滴，MultiFab能够同时使用多达 10 种材料进行高分辨率 3D 打印。

△研究人员制造了一种功能性的、肌腱驱动的机器人手，它有 19 个可独立驱动的肌腱、带有传感器垫的柔软手指以及刚性的承重骨骼。

通过这个新项目，研究人员寻求一种非接触式工艺，以扩大他们可用于制造更复杂设备的材料范围。为此，他们开发了一种称为视觉控制喷射（VJC）的技术，该技术利用四个高帧率相机和两个激光器来快速、连续地扫描打印表面。当数千个喷嘴沉积微小的树脂滴时，相机捕获图像。

Inkbit 的 VCJ 如何从根本上改变增材制造

Inkbit 是先进增材制造解决方案的先驱，一直在 InkbitVista 系统中商业利用 VJC 技术，使用最先进的耐用材料生产零件。然而，这些仍然是单一材料零件。ETH、Inkbit 和 MIT 的研究“复合系统和机器人的视觉控制喷射”研究展示了 VCJ 如何通过扩展Inkbit的能力，重建自然有机体的复杂结构和功能，开辟新的制造领域。

因此，VCJ 首次提供了在一次打印中精确制造复杂的多功能系统的能力，而无需组装子组件。Inkbit 首席执行官 Davide Marini 表示：“我们的 VCJ 技术是增材制造领域的质变。我们正在缩小我们在自然界中欣赏的优雅复杂的结构与我们合成复制它们的能力之间的差距。这不仅仅是向前迈出的一步，这更是进入制造新时代的飞跃。”

△渲染图显示了机械手的打印过程，白色球体代表打印机使用的材料

Inkbit 的 VCJ 技术起源于传统的喷墨 3D 打印，现在通过集成支持 AI 的3D 计算机视觉扫描系统，实时捕获每层的打印几何形状，将其提升到一个全新的水平。这种数字闭环反馈控制操作消除了对机械平整装置的需求，并能够使用慢固化化学物质进行打印，从而更精确地构建聚合物链。因此，VCJ 可以直接准确、精确地打印具有各种机械性能的复杂、多材料零件。

这项技术的实际应用非常广泛。VCJ不仅增强了打印元件的分辨率和功能能力，它还可以制造复杂的通道和腔体内部网络，以通过结构传输信号、电力或流体。借助 VCJ，现在可以直接制造能够大规模执行复杂物理任务的复杂多功能系统。为了展示 VCJ 的功能，研究人员打印了各种复杂的系统，例如：根据 MRI 数据建模的肌腱驱动手、气动行走机械手、模仿心脏的泵以及新颖的超材料结构。

苏黎世联邦理工学院的托马斯·布赫纳教授表示：“借助 Inkbit 的 VJC 技术和材料，我们第一次能够打印出像机器人手这样复杂的东西，有骨头、韧带和肌腱，模仿功能齐全的人手，而且一次就能完成。Inkbit 的 TEPU 材料具有非常好的弹性特性，弯曲后弹回原始状态的速度比聚丙烯酸酯快得多，使其成为生产机械手弹性韧带的理想选择。”

计算机视觉系统将图像转换为高分辨率深度图，计算时间不到一秒。它将深度图与正在制造的零件的 CAD（计算机辅助设计）模型进行比较，并调整沉积的树脂量，以使物体保持最终结构的目标。

自动化系统可以对任何单独的喷嘴进行调整。由于打印机有 16,000 个喷嘴，该系统可以控制正在制造的设备的精细细节。

Katzschmann 说道：“从几何角度来看，它几乎可以打印任何你想要的由多种材料制成的东西。您可以发送到打印机的内容几乎没有任何限制，并且您得到的内容真正实用且持久。”

该系统提供的控制水平使其能够非常精确地使用蜡进行打印，蜡被用作支撑材料，在物体内部创建空腔或复杂的通道网络。在制造设备时，蜡被打印在结构下方。完成后，物体被加热，蜡熔化并排出，在整个物体上留下开放的通道。

由于它可以自动、快速地实时调整每个喷嘴沉积的材料量，因此系统不需要在打印表面上拖动机械部件来保持水平。这使得打印机能够使用逐渐固化的材料，并且会被刮刀涂抹。

高性能材料

ETH、Inkbit 和 MIT 的研究人员使用该系统使用硫醇基材料进行打印，这种材料的固化速度比 3D 打印中使用的传统丙烯酸材料慢。然而，硫醇基材料更具弹性，并且不像丙烯酸酯那样容易断裂。它们在更广泛的温度范围内也往往更稳定，并且在暴露于阳光下时不会很快降解。卡茨施曼说：“当你想要制造需要与现实世界环境交互的机器人或系统时，这些是非常重要的属性。”

研究人员使用硫醇基材料和蜡制造了几种复杂的设备，否则现有的 3D 打印系统几乎无法制造这些设备。首先，他们生产了一种功能性的、肌腱驱动的机器人手，它有 19 个可独立驱动的肌腱、带有传感器垫的柔软手指以及刚性的承重骨骼。

△托盘上展示的各种白色 3D 打印物体。这些物体分别是：机械手、由晶格结构制成的立方体、生物心脏和步行机器人

布赫纳说：“我们还生产了一种六足步行机器人，可以感知物体并抓住它们，这是可能的，因为该系统能够创建软质和刚性材料的气密界面，以及结构内部的复杂通道。”

研究团队还通过具有集成心室和人造心脏瓣膜的类心泵以及可编程为具有非线性材料特性的超材料展示了VCJ技术。Matusik 说道：“这只是开始。您可以向该技术添加数量惊人的新型材料。这使我们能够引入以前无法用于 3D 打印的全新材料系列。”

研究人员现在正在考虑使用该系统打印水凝胶，水凝胶用于组织工程应用，以及硅材料、环氧树脂和特殊类型的耐用聚合物。他们还希望探索新的应用领域，例如打印可定制的医疗设备、半导体抛光垫，甚至更复杂的机器人。