新型软性装置推动软体机器人技术在医疗与工业领域的应用

新型软性装置推动软体机器人技术在医疗与工业领域的应用

美国西北大学工程师们开发了一种新型软性、灵活装置，使机器人能够像人类肌肉一样通过扩张和收缩移动。这一突破性技术不仅降低了制造成本，还提高了机器人在医疗和工业领域的应用安全性。

2024年7月11日，美国西北大学（2025USNews美国大学排名：6）的工程师们开发了一种新型软性、灵活的装置，使机器人通过扩张和收缩移动，就像人类肌肉一样。这一创新不仅在机器人技术领域引起了广泛关注，也为未来的软体机器人应用开辟了新的可能性。本文将围绕这一突破性技术展开讨论，探讨软性、灵活装置的发展、成本和材料考量、在实际应用中的安全性以及3D打印技术在软体机器人制造中的作用。

西北大学（2025USNews美国大学排名：6）的研究团队通过3D打印“手性剪切奥克塞体”（HSAs）结构，使用常见的热塑性聚氨酯材料，使HSAs更柔软、更灵活，并能够用桌面3D打印机制造。这一创新不仅降低了制造成本，还使得软性装置的生产更加便捷。研究人员通过添加橡胶波纹结构，设计了一个由单个伺服电机驱动的软性装置，使机器人能够自主移动。这一创新为更具生物启发的机器人迈出了一步，使其在实际应用中更加灵活和高效。

其次，软体机器人的成本和材料考量也是一个重要的方面。软体机器人在生物医学领域展现出巨大的潜力，尤其是在体外和体内应用方面。体外应用包括疾病建模、药物筛选、手术辅助、康复治疗和医学成像等。体内应用则涵盖了靶向药物递送、活检采样和精准手术等，能够在体内狭窄空间中进行导航。软体机器人材料和制造方法的进步，如智能材料和快速制造技术（如3D打印），使其功能性和生物相容性得到了显著提升。化学、无线和生物驱动的推进方法克服了传统限制，扩展了可访问的应用场景。精确的定位和控制通过成像技术（如荧光成像、磁共振成像和超声成像）得以实现。

在医疗领域，软体机器人已经在多个具体案例中展现了其应用潜力。例如，研究人员开发的软体机器人能够在微创手术中进行精确的操作，减少对周围组织的损伤。此外，软体机器人在康复治疗中也显示出良好的效果，能够帮助患者恢复运动功能。根据一项研究，使用软体机器人进行的康复训练比传统方法更能提高患者的运动能力和生活质量。

尽管软体机器人仍在发展中，但其在生物医学领域的应用前景广阔。未来的研究方向包括生物相容性、仿生设计、可降解性和集成医疗成像技术等。随着这些技术的成熟，软体机器人有望推动下一代智能诊断和治疗技术的发展。西北大学的研究团队开发的软性装置成本约为3美元，材料成本不包括驱动装置的小电机。这一低成本的设计使得软体机器人在实际应用中更加经济实惠，具有广泛的应用前景。

软体机器人在实际应用中的安全性也是一个重要的考量因素。2024年7月11日，美国西北大学工程师们开发出一种具有突破性的低成本人工致动器，可以像人类肌肉一样通过扩张和收缩移动。这一突破使得制造简化、低成本设备成为可能，使机器人更具能力和更安全，适合与人类互动。新致动器的材料成本仅约3美元，比传统刚性致动器便宜得多。研究团队受人类肌肉自然收缩和硬化特性启发，开发出这一新型致动器，将刚性致动器转变为更灵活、类似肌肉的结构。

这一突破性技术为软体机器人领域带来重大进展，提高了机器人在人类环境中的安全性，同时也拓展了软体机器人在医疗、工业和教育领域的应用前景。软体机器人在与人接触时不会像硬机器人那样造成严重伤害，因此更适合人类环境。研究团队的领头人Ryan Truby指出，软机器人在与人接触时不会像硬机器人那样造成严重伤害，因此更适合人类环境。这一技术还为生物启发机器人领域的进一步研究和发展铺平道路，可能带来与自然环境和人类活动无缝融合的创新。

最后，3D打印技术在软体机器人制造中的作用不容忽视。软体机器人由柔性材料如弹性体或凝胶构成机器人结构，并集成流体致动器以引发运动。传统机器人擅长定义明确、重复性的工厂操作，但在严格限制之外的变化性方面表现不佳。软体机器人的柔顺性使其能够无缝适应不可预测的条件，在动态环境中克服障碍。这种软体机器人的柔软弹性和持续变形特性使其能够轻柔处理易碎物体、穿越狭窄空间，并与人类安全地进行物理互动，避免碰撞造成的风险。

在医疗领域，软体机器人在手术和辅助任务中表现出色，通过与人体结构相适应，模仿自然运动以恢复运动功能。其他有前景的应用包括灾难救援和太空探索任务，涉及在无结构环境和杂乱碎片中导航以搜寻幸存者。近年来，使用3D打印技术制造软体机器人的趋势明显增加。这种方法为设计师提供了增强自由度，并简化了关键软体机器人设计原则的实施，例如控制和动力致动器的分离。此外，它促进了机械复杂设计的精确制造。

当前的先进技术已完全整合了3D打印，实现了一步直接数字制造功能性软体机器人，减少了人工干预。这利用了各种打印方法提供的几何设计自由度，生产复杂的柔性3D结构，嵌入内部功能元素如气动微通道，并将处理不同功能的多种材料集成到独立结构中。弹性、凝胶基和热塑性3D打印材料的可用性大大丰富了软体机器人的可用材料，超越以前主导的硅橡胶。快速数字制造方法还允许快速设计迭代和调整，实现成本效益的定制软体机器人，以满足特定操作任务的需求。

综上所述，美国西北大学的工程师们开发的新型软性、灵活装置为软体机器人技术的发展带来了新的可能性。这一创新不仅在成本和材料方面具有显著优势，还在实际应用中展现出巨大的潜力和安全性。随着3D打印技术的不断进步，软体机器人在医疗、工业和教育等领域的应用前景将更加广阔。未来，软体机器人有望推动下一代智能诊断和治疗技术的发展，为人类生活带来更多便利和安全。