德国研究人员采用3D打印技术和仿生学开发无需电池驱动的机械翅膀

2025年2月12日，南极熊获悉，受帝王蝶的结构和飞行动力学启发，德国达姆施塔特工业大学和德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心(HZDR)的研究人员开发了一种机器人翅膀。这些翅膀通过3D打印技术制造，无需电池即可运行，并配备了一个被动弯曲系统以产生高效的运动。研究人员表示，这些柔性机器人可以在环境研究、搜救行动和医疗应用等领域找到应用。

△当暴露于磁场时，3D打印蝴蝶翅膀就会飞舞

众所周知，真实蝴蝶的翅膀不仅强度惊人，而且飞行效率极高。帝王蝶每年在墨西哥和加拿大之间进行数千英里的迁徙，展现了巨大的能量和机械效率，这激发了研究人员的灵感。他们利用3D打印技术复制了这些蝴蝶翅膀的结构，并将它们集成到新的机器人设备中。这些3D打印的机器人机翼是用含有微小磁性颗粒的热塑性聚氨酯复合材料制造的，当暴露在磁场中时，机翼的拍动就会被激活。

由Oliver Gutfleisch教授和Denys Makarov博士领导的团队制作了12个翅膀模型，这些模型采用了不同的结构复制品。其中，受帝王蝶静脉结构启发的设计表现最佳。研究人员通过有限元分析模拟和实验，评估了这些图案对机翼空气动力学和机动性的影响。研究结果发表在《先进智能系统》期刊上，揭示了具有类似静脉结构的设计能够提升材料的强度和适应性，同时保持灵活性不受损害。为了实现这种设计的复制，团队使用了激光粉末床熔合(L-PBF)技术进行3D打印。

△相关研究题目为“3D打印磁性蝴蝶的仿生设计、制造和翅膀变形”（传送门）

3D打印翅膀有哪些潜在应用

这些翅膀的发展为多个领域开辟了新的可能性。在环境研究中，它可以用于监测生态系统，并研究传粉昆虫种群。在搜索和救援任务中，它们轻巧且高效的设计将使探索自然灾害后难以进入的区域成为可能。此外，在生物医学领域，这项技术可应用于微创手术，或用于开发具有变形能力的人造肌肉和智能材料。

△利用粉末床激光熔化技术复制了帝王蝶的翅膀结构

目前，这些仿生翅膀面临的科研难题是需要外部磁场来提供动力。研究的共同作者Muhammad Bilal Khan指出，“未来的工作可以集中在集成更多的微型磁场发生器和反馈控制，以实现自主运行。”研究团队还将探索新策略，通过调整磁场的强度和方向来优化运动控制和精确度。

这些机器翅膀的开发代表了仿生机器人技术的一大突破。同时，3D打印技术展示了在创建能够模仿生物系统效率和适应性的功能性设备方面的巨大潜力。随着未来技术的改进，它有望彻底改变从环境监测到精准医疗等多个领域的应用。