增材制造精益生产服务商裕克施乐（OECHSLER）与巴斯夫3D打印解决方案 Forward AM，通过3D打印技术为Kuka iiwa 协作机器人开发了一种3D打印“皮肤”。这一全新的解决方案，使人类和协作机器人能够安全的共享工作空间，并进一步优化了工厂的人机协作生产效率。

安装了3D打印“皮肤”RoboSkin的协作机器人 Kuka iiwa© 裕克施乐

兼顾安全与效率

 挑战

协作机器人（简称：cobots）越来越多地出现在制造业中，它们在共享区域与人类一起工作。在人机协作工厂中，避免协作机器人和人类同事发生碰撞，确保生产安全是至关重要的。

通常，人机协作工厂中的安全防护是通过内置光学传感器来实现的。这些传感器会在发生意外接触时使协作机器人立即停止工作，每当有工人进入警告区域时，系统会将其速度降至最低，如果人继续靠近，则系统停止，直到人离开后，系统才会加速回到全速。然而，这会导致协作机器人的处理速度受到高度限制，从而导致制造工厂的成本增加，生产效率降低。

为了实现机器人对靠近工人的反应，需要根据机器人的任务、它们与工人之间具体合作方式，以及它们在工厂中的实际位置进行编程。这就意味着，当协作机器人需要被部署在其他工作站时，或者需要执行不同的任务时，都必须调整编程。这种方式限制了协作机器人的应用灵活性与便利性。

那么，有什么方式能够使工人和协作机器人安全地协作，又能够使机器人始终保持高效运行呢？

 3D打印“皮肤” RoboSkin

巴斯夫Forward AM与裕克施乐通过增材制造-3D打印技术，为协作机器人开发了一种薄而具有高减震性的第二层“皮肤” RoboSkin，用来包裹在协作机器人的关节周围。

裕克施乐制造第二层“皮肤”时，采用的材料为Forward AM开发的Ultrasint TPU01 热塑性聚氨酯粉末，3D打印技术为惠普 HP 5200 系列多射流熔融设备（Multi Jet Fusion） 。

用于 Kuka iiwa机器人轴2和轴3的3D打印“皮肤”，图中可以清晰的看出晶格点阵结构，其材料为Ultrasint TPU01。

© 裕克施乐

3D打印的“皮肤”具有柔性的、个性化的晶格点阵结构。Ultrasint TPU01 热塑性聚氨酯粉末这种弹性材料适合生产需要高减震性和出色柔韧性的零件。而协作机器人3D打印“皮肤”所具有的独特晶格结构，为协作机器人带来了独特的附加价值：

首先是3D打印“皮肤”所具有的缓冲保护功能，为与机器人进行协作的工人提供了保护，降低他们受伤的风险。

这层3D打印晶格点阵“皮肤”就像阻尼器一样，吸收协作机器人的碰撞力和压力，可以使协作机器人的速度提高150%，这使得制造商的生产力得到提高。

此外，3D打印晶格点阵“皮肤”具有良好的透气性，能够防止协作机器人热量积聚。作为隔离层，它可以将机器人的管路、电线覆盖起来，在工作时不会限制机器人的运动。

这样一个能够为协作机器人用户带来附加价值的“皮肤”，其背后的核心技术在于增材制造的晶格点阵结构。

为机器人轴4开发的3D打印晶格点阵“皮肤”© 裕克施乐

3D打印“皮肤” 的点阵结构可以根据机器人的功能需求进行设计，得益于3D打印在复杂、定制化产品柔性制造方面的优势，快速且经济高效地适应各种协作机器人类型。

正如在挑战中所谈到的问题，在生产车间中，协作机器人通常被部署在不同的工作站。而3D打印“皮肤”RoboSkin 无需拆卸、重新组装和重新校准机器人，就够发挥作用，这将节省工厂的时间和成本。

3D打印“皮肤”RoboSkin， 用看似非常简单的解决方案解决了协作机器人工厂中的一个复杂问题，使最终用户能够优化人机协作的生产效率。

 从增材制造精益生产源头，提升品牌价值

在3D打印“皮肤”设计中所运用的晶格点阵结构设计，是一种典型的面向增材制造的设计。晶格设计往往拥有复杂的几何结构，而制造复杂的结构恰好是增材制造技术在工业制造中的竞争优势之一，可以说晶格设计与增材制造的绝妙组合将给产品带来独特的创新性。

裕克施乐在这方面已积累了实现大批量精益生产的应用经验。裕克施乐从运动鞋中底制造切入到了3D打印市场，注重先进技术的创新与研发，在面向增材制造的晶格结构设计与这类结构的增材制造（3D打印）批量生产领域走在业界前列。裕克施乐通过位于德国、美国和中国（太仓）的生产基地，已经生产了超过200万个3D打印零件。延伸阅读：小点阵、大洞天，一文洞悉3D打印为缓冲、防护产品创造新机遇的精益之道

裕克施乐有针对性地细化用户对于产品创新的需求，利用晶格点阵设计拥有的独特设计灵活性，达到用户产品所需的功能，性能等要求，并为产品品牌方提升品牌价值。

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《3D打印与骨科植入物白皮书》第三版© 3D科学谷

如今，膝关节置换技术仍在发展当中，并且体现出个性化、精准化医疗的发展趋势。根据3D科学谷的市场观察，美国一家创业型骨科植入物制造商Monogram ，正在通过将主动铣削导航手术机器人与 3D 打印患者匹配型膝关节植入物相结合，为膝关节置换医疗市场提供个性化解决方案。本期，我们就来简单的了解这一技术。

© Monogram

术前规划+机器人+植入物

根据Monogram，他们有望成为第一家将主动铣削导航手术机器人与 3D 打印患者匹配植入物推向市场的公司。他们相信精准植入物是骨科的未来。Monograms 的主要竞争优势将是能够快速、大规模地生产定制的，并以机器人进行植入的骨科植入物。

该系统可以使外科医生能够用合适的植入物和微创手术替换关节，从而有可能降低感染率、脱位和植入物失败的发生率，Monogram希望最终能给患者带来更好的手术结果。

Monogram 在其官网表示，他们的植入物组件已获得 FDA 许可，这些组件将集成到专有的 Monogram 膝关节系统中。Monogram 正在利用这些组件的经过测试和验证的性能，来专注于开发新型胫骨组件和手术机器人技术。

根据侃见科技对于Monogram公司的报道，传统的髋关节和膝关节置换手术的有效率尚有待提升。当今最尖端的关节植入物多为批量生产的，外科医生通过测量关节比例，然后手动放置植入物，再用锯和夹具切掉受影响的骨头。为植入物腾出空间后，外科医生通常会用骨水泥将它们固定到位。随着时间的推移，骨水泥可能会在手术后破裂，导致手术失败，每年有成千上万的患者返回医院进行再手术。

这些问题为医学界所熟知。失败的主要原因包括不稳定、定位不良和水泥破裂。Monogram相信他们可以通过3D映射和3D打印等技术减轻这些问题，这些技术已经帮助解决了医疗领域的其他类似问题。如今，医生和患者正在寻求更加个性化、精确和可靠的植入物解决方案。这就是 Monogram的用武之地。

3D打印植入物系统© Monogram

 个性化植入物带来更好的手术结果

Monogram的个性化3D打印植入物使用每位患者独特的骨骼结构作为设计模型，制造过程从要重建的关节的CT扫描开始。扫描的数据为AI驱动的术前界面提供助力，术前界面使用的预测算法帮助外科医生从各个角度进行手术规划。然后，制造3D打印植入物，使植入物与患者关节无缝配合。

软件©Monogram

Monogram系统的第二个关键技术是手术机器人。在实时虚拟导航的帮助下，机器人遵循术前规划，几乎不需要人工介入，这将有效消除手术本身的人为错误。在手术时，手术机器人首先做一个小切口，然后使用铣刀为骨骼中的空腔进行清除，3D打印植入物紧贴在空腔中，无需骨水泥，Monogram声称这比一般同类产品的稳定性高270%。

Monogram 表示，其技术可以显著减少松动和脱位的情况，从而大大减少重复手术并希望让患者更加满意。

3D 打印手术机器人©Monogram

 机器人和3D打印都在快速扩张的道路上

65 岁以下的患者是全膝关节置换接受者增长最快的人群，预计到 2030 年将占膝关节置换手术的 50% 以上。

在该领域率先进入市场的公司可以在竞争中获得相当大的优势。例如，当今领先的骨科手术机器人的销量是其最大竞争对手销量的12倍，拥有87%的市场份额。

根据报道，目前Monogram是唯一一家开发主动铣削机器人，并用以安装个性化3D打印植入物的公司。

 3D 打印膝关节植入物© Monogram

简而言之，Monogram在这个正在快速增长的领域，具有率先上市的优势。它采用多管齐下的方法进入市场，以降低风险。

Monogram正在积极开发下一代植入物，与其手术机器人结合，完成整个关节置换集成解决方案的推出。医疗技术的发展方向是个性化、精准化。预计到2030年，量身定制的植入物和骨科手术机器人将成为常态。届时，Monogram 是否能够成为这个瞬息万变的领域的领导者，赋能外科医生为患者提供崭新的医疗方案，让我们拭目以待。

参考来源：

侃见科技《3D打印手术机器人将革新关节置换》;Monogram 官网。

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现在，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 和加州理工学院的研究人员开发出受折纸启发的软体机器人系统，可以响应外部刺激而移动和改变形状，为完全不受束缚的软体机器人铺平了道路，该研究发表在《科学机器人》上。

© Lori Sanders/Harvard SEAS

模糊了材料与机器人的界限

其核心原理是3D 打印的活动铰链可根据热量改变形状，当温度从环境温度升高到 100°C（顶部铰链启动）到 150°C（底部铰链启动）时，该设备展示了顺序折叠。图片来源：Lori Sanders/Harvard SEAS

根据 Jennifer A. Lewis 博士，将活性材料集成到 3D 打印物体中，能够设计和制造全新类别的软机器人材料。

研究人员转向折纸来创造多功能软机器人，通过连续折叠，折纸可以在单个结构中编码多种形状和功能。研究小组使用被称为液晶弹性体的材料，在受热时会改变形状，3D 打印了两种类型的软铰链，它们在不同的温度下折叠，因此可以编程以按特定顺序折叠。

通过3D 打印活动铰链方法，对温度响应、铰链可以施加的扭矩量、弯曲角度和折叠方向具有完全的可编程性。哈佛大学和加州理工学院的制造方法有助于将这些活性成分与其他材料相结合。

 自折叠“Rollbot”为完全不受束缚的软机器人铺平道路

为了演示这种方法，团队构建了几个软设备，包括一个绰号为“Rollbot”的不受束缚的软机器人。自走式 Rollbot 最初是一块平板，长约 8 厘米，宽约 4 厘米，放置在热表面上时会卷曲成一个五边形的轮子。嵌入车轮五个侧面的铰链在与表面接触时折叠，推动车轮转向另一侧。当铰链从热表面滚落时，它们会展开并为下一个循环做好准备。 © Lori Sanders/Harvard SEAS

使用铰链可以更轻松地对机器人功能进行编程并控制机器人如何改变形状，通过3D打印使得变形可控，与其让软机器人的整个身体以难以预测的方式变形，通过3D打印只需要编程结构的几个小区域以设置如何响应温度变化。

许多现有的软机器人需要连接外部电源和控制系统，或者受到它们可以施加的力的限制。3D科学谷了解到这些3D打印的主动铰链很有用，因为它们允许软机器人变得更加“自主可控”，并且可以提升比铰链重许多倍的物体。

 自我驱动

一种设计展示了顺序折叠，它可以在加热时折叠成类似于回形针的紧凑折叠形状，冷却时可以自行展开。

另一种设计，当放置在炎热的环境中时，可以折叠成类似于回形针的紧凑折叠形状，并在冷却时自行展开。

这些不受束缚的结构可以被动控制，科研人员需要做的就是将结构暴露在特定的温度环境中，这些结构将根据科研人员对铰链进行编程的方式做出响应。

虽然这项研究只关注温度响应，但液晶弹性体也可以通过编程来响应光、pH、湿度和其他外部刺激。

根据3D科学谷的了解，这项工作展示了响应聚合物在复合材料中的组合如何导致材料具有自我驱动能力以响应不同的刺激。未来，这些材料可以通过编程来执行更复杂的任务，这模糊了材料和机器人之间的界限。

这项研究得到了陆军研究办公室、哈佛材料研究科学与工程中心、美国国家科学基金会和美国宇航局空间技术研究奖学金的支持。

l 文章来源：3D科学谷内容团队

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不，这不是一个惊人的潜水服或伪装的潜水艇（虽然那些会很酷）：这是一种称为SoFi的软机器鱼，可以在水下像在鱼一样游泳并探测水下世界。

机器鱼由部件组合而成。它的背部和尾部由硅橡胶和柔性塑料制成，使其能以几乎自然的方式在水中移动。然而，它拥有所有机器人电子元件，而头部是3D打印的。为了防止水渗入鱼的“大脑”并损坏电子设备，CSAIL团队在机器人的3D打印头中填充了一点婴儿油，这为机器提供了一个简单而机智的解决方案，以保护机器不受水的影响。 （在水下遇到较高压力时，婴儿油不会压缩。）

3D打印机器人鱼还配备了鱼眼镜头，可以捕捉水下其他鱼类的高分辨率照片和录像。游泳技术在许多方面都具有创新性。 SoFi不仅是一种伪装成鱼的机器人，而且它的独特设置还允许它在没有被束缚在船上或没有任何“笨重和昂贵的”螺旋桨设备的情况下进行潜水。SoFi机器人使用由相机，电机和锂聚合物电池（智能手机中使用的那种）组成的简单而精密的系统，能够在50英尺深处游泳约40分钟。

游泳是通过将马达泵水放入位于鱼尾部的两个“气球状室”来实现的。与发动机中的活塞类似地运行，一个室用水膨胀并使尾部向一个方向弯曲;当它切换时，会发生相反的情况。结果是模拟游泳动作。

通过这个液压机构，一个定制的浮力控制单元（压缩和解压空气）和一个可调节重量的功能，SoFi可以上下潜水，直线游泳并转向。CSAIL研究人员还使用了一个（防水）超级任天堂控制器和一个定制的声学通信系统来控制机器人的运动和速度。“据我们所知，这是第一个可长时间无限制地游泳的机器鱼，”SoFi研究的主要作者Robert Katzschmann说。 “我们很高兴能够使用像这样的系统来接近海洋生物。”

部分3D打印的水下机器人被开发成为研究水下环境和野生动物的一种方式，为此，SoFi的电机尽可能安静，通信系统基于超声波发射，并使用30至36千赫兹的波长。意大利比萨Sant’Anna高等研究学院的生物学教授Cecilia Laschi解释说：“像这样的机器人可以比当前的机器人更有效地探索珊瑚礁，因为它可以更安全地靠近珊瑚礁并且因为它可以被海洋物种更好地接受。“

目前，CSAIL团队正致力于改进3D打印软机器人的设计和功能，使其能够更快地游泳。最终，Katzschmann表示，该团队希望增加一个摄像头功能，使机器人能够成为“自动追踪真正的鱼”。CSAIL还计划部署一些SoFi机器人用于研究目的。

“我们认为SoFi是开发近乎水下观测站的第一步，”负责SoFi项目的CSAIL主管Daniela Rus说。 “它有可能成为海洋探索的新型工具，并为揭开海洋生物的奥秘开辟新的途径。”

来源：搜狐新闻

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如果你3D打印出一个物体，它立即折叠在打印床上，你可能会担心，是不是打印材料有问题，或者空气中的湿度过大？对于麻省理工学院的研究人员来说，自折叠3D打印结构却可能是非常有用的。

正在开发折叠结构3D打印技术的研究人员表示，这个研究的意义在于，折叠的发生无需外部刺激包括加热或者水浸这样的方式。

用在电子领域，如果你需要一个可变化形状的电子结构件，但你又不想通过把它放到加热的环境或者放到水里来实现形状的变化，因为加热或者浸水可能会导致电子结构件的降解或失效。麻省理工学院的这项研究提供了无需环境刺激的电子结构件自折叠解决方案。

麻省理工学院尝试通过3D打印制作了一个自折叠电子结构装置，由电线和塑料制成，在施加电压时，这些3D打印结构件改变了形状，从刚性的“H”形状，卷曲成为一个桌子的形状。

由于研究人员可以控制这个电子结构件接头的折叠精确角度，所以它们已经能够产生许多以不同方式变形的不同版本。

具体来说，麻省理工学院的这项研究发现，最重要的进步是材料技术。虽然带有一定的偶然性，这种墨水材料显示出固化后不寻常的膨胀特征。而大多数打印材料会在凝固时略有收缩。

另一件事情，3D打印制造商可能非常不喜欢所打印的产品粘在基板上的现象。不过在麻省理工学院的这项特别的研究中，粘在基板上反而是制造这种特殊产品非常有用的途径。

这是因为3D打印结构对基台的依从性使得打印的物体完全保留在打印时所需要的位置。如果底部没有粘性，结构将在打印完成之前开始折叠，那么反而不利于打印的成功完成。

3D打印结构件的“折叠”行为是由于墨水内的化学成分相互作用造成的。 3D打印油墨包含几个长分子链和一个短得多的链，由丙烯酸异辛酯单体组成。当用紫外光固化时，长链相互连接，麻省理工学院研究人员将其描述为“刚性丛生的分子”。当另一层材料沉积在顶部时，液体上层中丙烯酸异辛酯的小链下沉到较低的较刚性的层中，从而引起膨胀的力。

研究人员想要更多地了解这个过程是如何运作的，以便更好地设计和控制变形的发生。目前，研究人员希望使用这种技术来制造传感器，显示器或天线，其功能取决于它们的三维形状。以后，该方法可以扩展到制作3D打印机器人。

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日前，哈佛科学家3D打印出世界上第一个完全自主、软机器人。这是实现软机器人技术开发的一个重要里程：这个绰号为Octobot的机器人是世界首例3D打印的，完全柔软且自主的机器人。 点击3D科学谷视频链接》

当然，这不是我们所看到的第一个灵活和柔软的机器人。大约一年前，来自康奈尔大学的科学家透露了他们在3D打印软执行器方面获得了模仿章鱼触手肌肉的成功，而哈佛的研究人员一直专注于软体机器人的开发。而今年夏天早些时候，我们还看到了3D打印机器人的“肌肉”。

哈佛的解决方案是气动原理–由高压气体驱动那些关键运动部件。少量的液体燃料（过氧化氢）是通过化学过程转化为气体，从而为机器人创造了足够的运动能力，并完全摆脱了僵化的部分。

但是之前创作的软机器人还是需要依靠一些刚性的零件，通常是电池，电路板等来实现操作控制。哈佛这次的创新是完全灵活的。机器人甚至没有刚性的电子产品，通过微流体化学反应产生的气体来控制Octobot机器人的运动，灵感也是来自于自然界的章鱼。

一个长期以来一直在软机器人领域的愿景是创建一个完全柔软的机器人，但研究的专注点一直集中在将那些刚性的电池和电子控制组建更换成类似的软系统，而哈佛的这项研究表明，可以很容易地制造一个简单的、完全是软的机器人的关键组成部分，这为更复杂的设计奠定了基础。

哈佛大学Wyss生物工程研究所核心成员Robert Wood博士和Jennifer Lewis博士是这项研究的负责人。这项研究成果发表在近期的《Nature》杂志上。“通过我们的混合动力总成的方法，我们能够3D打印每个需要在软机器人本体的功能部件，包括燃料储存、电力驱动，”Lewis教授说。“这个Octobot旨在展示我们的综合设计和嵌入自治功能增材制造战略。”

Octobot的自治能力指的是他们能决定什么时候舒展四肢。未来版本是希望能够爬行、走路，或者执行一系列的任务。为了达到这一点，需要通过3D打印不同的设计版本来测试各种气动系统。为了减少失败，哈佛的研究小组利用微流控逻辑电路来控制过氧化氢的化学反应过程。这一技术将对软机器人带来哪些更多的变化，3D科学谷将与谷友一起保持关注。

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