2025年3月25日，南極熊獲悉，麻省理工學院計算機科學與人工智慧實驗室 (CSAIL)、浙江大學和清華大學的研究人員開發出一種新方法，可以 3D 列印出具有類似人類運動能力的物體。這種方法被稱為“Xstrings”，可以自動製造可以彎曲、盤繞、擰緊和壓縮的電纜驅動元件。

△JiajiLi 和使用 Xstrings 方法 3D 列印的設備。照片來自 MIT CSAIL。

傳統上，此類設備很難生產，因為必須手動將電纜嵌入整個物體中。然而，Xstrings 方法利用 多材料 FDM 3D 列印，只需一步即可將電纜直接嵌入結構中，無需手動組裝。研究團隊還開發了一種數位設計工具，允許使用者生成具有所需運動能力的電纜驅動元件的 3D 列印檔。

第一作者、麻省理工學院 CSAIL 博士後 Jiaji Li 將在下個月的2025 年計算機系統人為因素會議(CHI2025)上發表這篇題為”Xstrings: 3D Printing Cable-driven Mechanism for Actuation, Deformation, and Manipulation“新研究論文。它概述了用於驗證 Xstrings 功能的幾項測試。例如，Li 的團隊證實，3D 列印電纜在斷裂前可承受超過 60,000 次 90 度收縮。此外，生產速度會影響電纜品質，在 260°C 下進行 3D 列印時，10mm/s 和 15 mm/s 可產生最佳效果。據 Li 介紹，Xstrings 可將總生產時間縮短 40%。

最終，研究人員相信，他們的新方法將為多種應用提供價值，包括用於空間站和外星基地的纜繩驅動機器人、仿生設備、可調節時裝設計和互動式藝術品裝置。

Li說：Xstrings 軟體可以將各種想法變成現實。它能讓你生產出像人手一樣的仿生機器人設備，模仿我們自己的抓握能力。我們的創新方法可以説明任何人使用桌面雙材料 3D 印表機設計和製造電纜驅動產品。”

麻省理工學院推出新型仿生3D列印方法

纜線驅動機制通過將線穿過分段物體來發揮作用。拉動線會產生張力，導致物體彎曲、扭曲或摺疊，具體取決於設計。這種方法經常用於仿生學，使機器人設備能夠表現出擬人化的運動。例如，在機械手上添加纜線可以使手指彎曲和抓握物體

MIT 的 Xstrings 軟體使用Rhinoceros 8作為設計環境，使用Grasshopper作為中間計算工具。工作流程從使用者提交具有特定尺寸的設計開始。然後，他們選擇四種運動“基元”之一，即彎曲、捲繞、扭曲或壓縮，以定義設備的行動方式。使用者還可以輸入這些運動所需的角度。

值得注意的是，多個基元可以組合成單個設備，以解鎖更大的運動能力。例如，在創建機器人爪時，研究人員將多條電纜以並聯組合的方式集成在一起，使每根手指都可以握成拳頭。他們使用 Xstrings 方法和設計工具 3D 列印了其他幾種多材料機制。其中包括行走蜥蜴機器人、可以打開和關閉的牆壁雕塑以及可以纏繞物體的觸手。

Xstrings 還允許用戶確定每根電纜在部件內的固定位置。這包括選擇電纜固定的端點（錨點）、電纜穿過的孔（螺紋區域）以及拉動電纜以操作設備的位置（暴露點）。例如，機器人手指可能包括指尖處的錨點和從手指向下延伸到另一端暴露的拉動標籤的電纜。  

在模擬設計后，用戶可以匯出檔並將其發送到 FDM 3D 印表機。為了確保與任何多材料 FDM 3D 印表機相容，研究人員選擇不為特定型號生成 G 代碼。相反，李的團隊為各種切片軟體提供了參數設置，並使用UltiMaker S5、UltiMaker 3 和Bambu Lab X1 3D 列印了他們的 Xstrings 測試設備。他們用 PLA 製作了每個設備的主體，並使用尼龍絲作為電纜。

麻省理工學院的新工藝只需一步即可製造出功能部件，只需放置水平電纜並在周圍進行列印。到目前為止，這種方法已用於生產具有剛性外部和柔軟、靈活的內部的部件。未來，研究人員的目標是通過 3D 列印具有柔軟外部和剛性內部的設備來逆轉這種結構，模仿人類的皮膚和骨骼。他們還計劃探索更耐用的電纜，並嘗試以不同角度或垂直方式嵌入它們。

李與浙江大學碩士生馮姝悅和清華大學劉宇佳共同撰寫了這篇論文。浙江大學助理教授、前麻省理工學院媒體實驗室客座研究員王冠雲也做出了貢獻。研究團隊包括三名 CSAIL 成員：麻省理工學院電氣工程和計算機科學博士生 MaxinePerroni-Scharf 和客座研究員 Emily Guan。資深作者 Stefanie Mueller 是麻省理工學院電氣工程、計算機科學和機械工程專業的TIBCO 職業發展副教授。

△Xstrings3D 列印的線纜驅動手指。圖片來自 MIT CSAIL。

3D列印仿生學

3D 列印越來越多地被應用於製造仿生設備，特別是假肢應用。本月初，約翰霍普金斯大學、佛羅里達大西洋大學和伊利諾伊大學芝加哥分校的研究人員開發出一種模仿人類觸覺的3D 列印假手。這款新產品兼具剛性和靈活性，握力強到可以穩固地握住水瓶，靈巧到可以拿起易碎的塑膠杯而不會損壞它。

△受人類手部啟發而開發的具有神經形態觸覺感應功能的混合機械手。圖片來自 JHU。

混合機器人手指具有三個獨立驅動的軟關節，這些軟關節由化學製造公司Smooth-On的Dragon Skin 10 矽膠製成。它們由用 PLA 3D 列印的剛性骨架結構支撐。據報導，分析和測試表明，每個混合機器人手指在僅 7 psi 的驅動壓力下即可實現 130° 的曲率和 208° 的屈曲角度。這比需要更高壓力的純軟機器人手指更有效率。事實上，在測試過程中，混合手指表現出的抓握力是軟機器人替代品的三倍多。

去年，英國機器人公司Open Bionics宣布，一名來自倫敦的手部截肢者首次採用了他們的3D 列印手指裝置。這款名為Hero Gauntlet 的假肢可説明患有先天性或後天性部分手部肢體缺陷的人恢復手部功能。Open Bionics 使用 3D 掃描和增材製造技術定製每台設備。用戶通過彎曲手腕來控制抓握動作。

另一則新聞是，美國假肢製造商Psyonic使用Formlabs 的Form 3 立體光刻 (SLA) 3D 印表機開發了3D 列印仿生手。開發過程包括快速原型設計、設計反覆運算和最終用途部件的小批量生產。Ability Hand重量僅為 490 克。它的拇指可以電動和手動旋轉，而所有五個手指都可以彎曲以提供完整的手部功能。