一種創(chuàng)新型的激光掃描技術(shù)可以快速地實現(xiàn)多種材料3D打印，實現(xiàn)：結(jié)構(gòu)更精細(xì)，材料更多樣。

研究人員使用獨特的激光掃描技術(shù)，以一種更高效的方法，用不同的剛性和彈性聚合物3D打印出帶有骨骼、韌帶和肌腱的機(jī)器人手。

具有骨骼、韌帶和肌腱的機(jī)器人手聽起來幾乎像是科幻電影中的東西。但實際上它非常真實，這要歸功于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（瑞士蘇黎世）的一組研究人員和來自麻省理工學(xué)院（MIT；波士頓，馬薩諸塞州）分拆的增材制造初創(chuàng)公司Inkbit的工程師。

該合作團(tuán)隊開發(fā)了一種稱為Vision-Controlled Jetting （VCJ）的激光掃描技術(shù)，這是一種噴墨沉積工藝，使用激光和高幀率相機(jī)連續(xù)掃描打印表面。

傳統(tǒng)的3D打印機(jī)逐層創(chuàng)建對象；然后在紫外線（UV）燈下逐層快速固化。在每個固化步驟之后，表面不規(guī)則部分被刮掉，但這只適用于快速固化的材料，如聚丙烯酸酯。慢速固化的聚合物會阻礙打印過程，因為它們需要更長的時間才能固化。

由于硫醇烯和環(huán)氧樹脂（thiol-ene and epoxies）等緩慢固化的聚合物最終形態(tài)比較堅固耐用，耐紫外線和濕度，并且比傳統(tǒng)快固化聚合物具有更先進(jìn)的彈性特性，研究人員表示，它們在生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品（如醫(yī)療植入物和芯片器官）方面顯示出巨大的前景。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院軟機(jī)器人實驗室（ETH Zurich’s Soft Robotics Lab）研究員托馬斯·布赫納（Thomas Buchner）解釋說，VCJ方法允許實時掃描打印層，以便在固化過程之前立即檢查表面的不規(guī)則性。而且，這樣做不會減慢打印過程。VCJ使用掃描數(shù)據(jù)并校正每個連續(xù)層接觸面的平整度，這樣便于使用“具有紫外穩(wěn)定性高和彈性好的一系列材料”。

使用了VCJ技術(shù)，柔軟、有彈性和剛性的材料可以進(jìn)行3D打印，以創(chuàng)建精致和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊的機(jī)器人手具有骨骼、韌帶和肌腱等多方面特征。布赫納說，慢固化塑料具有長壽命，通過VCJ系統(tǒng)打印這種材料“便于研究和商業(yè)應(yīng)用”。

背景情況

大約八年前，隨著《ACM Transactions on Graphics》發(fā)表的研究成果，VCJ系統(tǒng)的工作開始啟動。這項初步工作使用了全場光學(xué)相干斷層掃描（full-?eld optical coherence tomography OCT）裝置，作為麻省理工學(xué)院團(tuán)隊開發(fā)的初始打印機(jī)擴(kuò)展的一部分。Inkbit工程總監(jiān)Aaron Weber表示，原始掃描儀符合技術(shù)要求，但最終因成本過高而無法用于商用3D打印機(jī)。該裝置的速度也很慢。

技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展使該團(tuán)隊能夠?qū)?D掃描系統(tǒng)修改為基于經(jīng)典三角測量的系統(tǒng)（classic triangulation），將會更具成本效益。

韋伯說：“我們通過精心挑選安裝在定制機(jī)械包中的現(xiàn)成組件，實現(xiàn)了成本、速度和分辨率要求。我們現(xiàn)在可以靈活地更換單個模塊，以匹配材料特性的變化，而無需改變整個掃描架構(gòu)。”

未來潛力

未來重點將放在機(jī)器人應(yīng)用方面。布赫納表示，他們正在開發(fā)一種由VCJ打印技術(shù)支持的定制解決方案，并計劃研究柔軟、剛性的結(jié)構(gòu)如何為生物細(xì)胞提供支架。

他列舉了人工智能（AI）、虛擬現(xiàn)實（VR）和元宇宙作為其他需要研究的領(lǐng)域。3D打印的進(jìn)步將使數(shù)字創(chuàng)意成為現(xiàn)實。生成式人工智能可以開始創(chuàng)建3D對象，布赫納說，VCJ參與的3D打印機(jī)將能夠?qū)崿F(xiàn)這一點，“無論材料體的排列多么復(fù)雜。”

“我們現(xiàn)在可以更快地創(chuàng)建定制化和個性化的產(chǎn)品，”布赫納補(bǔ)充道。“曾經(jīng)的打印出來的原型將更接近最終產(chǎn)品，組裝時間最小化，功能系統(tǒng)在同一個過程中打印出來。”

審核編輯：劉清