使用3D喷墨打印系统，工程师们可以制造混合结构，其中包含软性和刚性组件，比如机器人抓手，它们足够强大以夹取重物，但又柔软到可以安全地与人类进行互动。

这些多材料3D打印系统利用成千上万个喷嘴沉积微小的树脂液滴，然后使用刮刀或滚轮平整，并利用紫外线光线进行固化。但平整过程可能会挤压或涂抹固化时间较长的树脂，从而限制了可以使用的材料类型。

麻省理工学院（MIT）、MIT的衍生公司Inkbit和苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员开发了一种能够使用更广泛材料的新型3D喷墨打印系统。他们的打印机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树脂的数量，以确保没有区域的材料过多或过少。

由于不需要机械部件来平整树脂，这种非接触式系统可以处理比传统3D打印中使用的丙烯酸酯固化慢的材料。一些固化时间较长的材料化学成分可以提供比丙烯酸酯更好的性能，如更大的弹性、耐久性或使用寿命。

此外，自动化系统在不停止或减慢打印过程的情况下进行调整，使得这台生产级打印机的速度约为相似3D喷墨打印系统的660倍。

研究人员利用这台打印机创建了结合软硬材料的复杂机器人装置。例如，他们制造了一个完全由3D打印制成的机器人抓手，形状类似人手，并由一组加强但灵活的肌腱控制。

麻省理工学院电气工程和计算机科学教授，也是麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）计算设计和制造组的负责人之一，研究论文的联合通讯作者之一Wojciech Matusik表示：“我们的关键想法是开发一种机器视觉系统和完全的主动反馈循环。这几乎就像是赋予打印机一双眼睛和一颗大脑，眼睛观察正在打印的物体，然后打印机的大脑指导它接下来应该打印什么。”

他在论文中的合著作者包括瑞士苏黎世联邦理工学院的博士生Thomas Buchner（首席作者）、ETH Zurich软体机器人实验室负责人、助理教授Robert Katzschmann（2018年获博士学位）等人。这项研究将发表在《自然》期刊上。

无接触式  

这篇论文基于研究人员于2015年推出的低成本多材料3D打印机MultiFab。MultiFab利用成千上万个喷嘴沉积微小的树脂液滴，并通过紫外线光线固化，实现了高分辨率的多材料同时3D打印。

通过这项新项目，研究人员寻求一种无接触的工艺，以扩展他们可以使用的材料范围，从而制造更复杂的装置。

他们开发了一种名为“视觉控制喷射”的技术，利用四个高帧率摄像头和两个快速连续扫描打印表面的激光器。这些摄像头捕捉成千上万个喷嘴沉积微小树脂液滴的图像。

计算机视觉系统将图像转换为高分辨率深度图，这个计算过程不到一秒钟。它将深度图与正在制作的零件的计算机辅助设计（CAD）模型进行比较，并调整沉积的树脂量，以确保物体与最终结构保持一致。

自动化系统可以对任何单个喷嘴进行调整。由于打印机有16,000个喷嘴，系统可以精确控制被制作装置的细节。

Katzschmann说：“几何上，它可以制作几乎任何你想要的由多种材料组成的东西。几乎没有什么限制可以发送到打印机上，而最终得到的东西真的是功能性的且持久耐用。”

系统提供的控制水平使其可以非常精确地使用蜡来打印，该材料用作支撑材料，以在物体内部创建空腔或错综复杂的通道网络。在制作装置时，蜡被打印在结构下方。完成后，物体被加热使蜡融化并流出，留下物体内的开放通道。

由于该系统可以实时自动调整每个喷嘴沉积的材料量，因此无需在打印表面上拉动机械部件以保持水平。这使得打印机可以使用固化速度更慢、会被刮刀涂抹的材料。

优越材料  

研究人员利用该系统打印了基于硫烯的材料，其固化速度比传统3D打印中使用的丙烯酸酯慢。然而，硫烯基材料比丙烯酸酯更有弹性，不易断裂。它们在更广泛的温度范围内更稳定，并且暴露在阳光下不会快速降解。

Katzschmann表示：“当你想要制造需要与现实世界环境互动的机器人或系统时，这些是非常重要的特性。”

研究人员使用硫烯基材料和蜡制作了几个复杂的装置，这些装置在现有的3D打印系统中几乎无法制作。例如，他们制作了一个功能性的、由肌腱驱动的机器人手，其拥有19根独立的活动肌腱、带有传感器垫的软手指和承载负载的刚性骨骼。

Buchner说：“我们还制作了一个六条腿的行走机器人，它能够感知和抓取物体，这是因为系统能够创建软硬材料的气密接口，以及结构内的复杂通道。”

通过类似心脏的泵和集成室和人造心脏瓣膜，以及可以编程具有非线性材料特性的超材料，团队还展示了该技术的应用。

Matusik表示：“这只是开始。这项技术可以添加许多新类型的材料。这使得我们能够引入之前无法用于3D打印的全新材料系列。”

研究人员目前正在考虑使用该系统进行水凝胶的打印，水凝胶在组织工程应用中使用，同时也包括硅材料、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器械、半导体抛光垫以及更加复杂的机器人。

该研究部分资助来自瑞士信贷银行（Credit Suisse）、瑞士国家科学基金会（Swiss National Science Foundation）、国防高级研究计划局（DARPA）和美国国家科学基金会（NSF）。