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软体机器人的快速制造常受限于材料选择或复杂后处理。本研究通过硬件优化和材料筛选策略，利用熔融颗粒成型技术，实现了对邵氏硬度低至6A的商用热塑性颗粒的高速、高气密性3D打印，并展示了包括气动机械手和多腔室机器鱼在内的功能性软体设备。该工作为大规模、气密性软体机器人系统提供了一种可扩展、经济高效的数字化制造方案，性能可与硅胶媲美。
软体机器人以其出色的柔顺性、生物相容性和对非结构化环境的适应能力，正在医疗、辅助穿戴、灵巧操作等领域展现出巨大潜力。然而，通往广泛应用的道路上横亘着一座大山：制造。传统的软光刻技术依赖于复杂的模具和大量手工操作，难以规模化与标准化。而数字化的增材制造（3D打印）技术，如熔融沉积成型（FFF）、直写成型（DIW）等，虽然在定制化上具有优势，但各自面临材料兼容性、打印可靠性或几何精度的瓶颈。特别是对于气动驱动的软体系统，其内部复杂的气道网络要求打印件具备优异的气密性，这进一步加大了制造难度。当前多数高性能软体机器人演示，如多步态机器人、双稳态阀和软体夹爪，依然无法摆脱定制模具、繁复后处理和手动装配的宿命。那么，是否存在一种方法，能够像传统3D打印一样便捷，又能像工业注塑一样高速、低成本且材料选择广泛地制造软体机器人呢？一篇发表在《Advanced Science》上的研究给出了肯定的答案，并提出了一条新的路径：熔融颗粒成型（Fused Granulate Fabrication, FGF）。
为了系统评估FGF用于制造软体机器人设备的可行性与优势，并解决其固有的打印缺陷，研究人员开展了一项综合性研究。他们采用商业化的桌面FGF打印系统，对一系列邵氏硬度（Shore hardness）从6A到63A的商用热塑性苯乙烯嵌段共聚物（TPS）颗粒进行了从材料特性到器件性能的全方位表征。核心研究策略并非单纯依赖硬件改造，而是开创性地将材料筛选、流变学分析与打印工艺优化相结合，旨在从源头抑制打印缺陷，实现高可靠性的软体器件制造。
关键技术方法
本研究整合了材料科学、机械工程与机器人学的多种技术。首先，利用改装后的商用桌面FGF打印机（基于Ender 3 S1 Plus和Direct3D颗粒挤出机）进行器件打印，并通过硬件微调（如优化料斗设计、增强冷却）提升打印稳定性。其次，建立了系统的材料筛选与表征流程：通过自主设计的挤出与渗流测试，量化不同材料的挤出流量和停机后渗流行为，构建“渗流性能谱”；使用旋转流变仪进行振荡频率扫描，获取材料的复数粘度、储能模量、损耗模量等关键流变学描述符，并与打印性能关联。再者，通过万能试验机对打印的哑铃型试样进行单轴拉伸和循环载荷测试，以表征材料的力学性能（如穆林斯效应）。最后，利用有限元分析软件对设计的气动网络执行器进行数值仿真，预测其弯曲行为，并与实验测量结果对比验证。
研究结果
2 软材料的颗粒打印
本部分阐明了FGF相比传统FFF技术的核心优势。FGF采用螺杆挤出热塑性颗粒，而非丝材，这从根本上解耦了材料柔性与可加工性，使得打印邵氏硬度低至6A的类硅胶软材料成为可能，且有效避免了FFF中软丝材易发生的屈曲问题。研究通过对比文献数据指出，在制造气密性软机器人部件时，FGF能实现更高的体积流量（volumetric flow rates），即使对于更软的材料也是如此，从而将大型复杂结构的制造时间从天级缩短到小时级。然而，FGF也面临打印不一致和渗流（stringing）两大主要缺陷，它们会导致壁厚不均、产生内部空隙，最终破坏器件的气密性和功能。研究通过结合硬件改进、材料选择和工艺参数优化的协同策略来应对这些挑战。
2.1 实现稳定挤出
针对挤出不稳定导致壁厚不均的问题，研究团队通过三步法进行改善：优化料斗设计以减少颗粒架桥、增强主动冷却防止颗粒过早熔融、精确校准挤出流量以匹配打印速度。
2.2 减少渗流
渗流是打印头非打印移动时，熔体在重力及机筒残余背压下持续从喷嘴流出的现象。研究指出，对于软弹性材料，依赖工艺的缓解策略（如降低喷嘴温度）常会牺牲打印速度或层间粘结强度。因此，他们转向通过材料本身的内在流变学来抑制渗流，发现具有高零剪切粘度、强剪切稀化行为以及高频下以弹性响应为主的材料，能显著减少残余渗流。
3 最小化渗流的材料筛选策略
为了可靠地制造软器件，需要筛选出能抑制渗流同时保持高挤出流量的材料。研究人员对多种商用热塑性弹性体颗粒进行了评估，并将挤出表征与流变学分析相结合，建立了一套材料筛选方法。
3.1 挤出与渗流特性
通过实验量化了不同材料在不同螺杆转速下的体积流量，并测量了挤出停止后2秒内的渗流长度，构建了材料特定的“渗流性能谱”。该图谱揭示了高吞吐量与低残余流量之间的固有权衡。例如，所选用的Kraiburg TPE系列材料（6A, 10A, 22A, 40A, 50A）在5 mm3/s的挤出速率下渗流长度可控，而另一些材料则表现出过度的渗流。
3.2 流变学表征
流变学测试揭示了材料渗流行为差异的内在原因。渗流性能差（如Filaflex 60A）的材料表现出更低的零剪切粘度、更弱的剪切稀化行为以及更显著的粘性响应。研究发现，剪切稀化指数与初始渗流率之间存在相关性，表明剪切停止后粘度的快速恢复是抑制残余流动的关键。
4 材料表征
通过单轴拉伸测试，研究人员对比了TPE丝材、TPS颗粒和硅橡胶的力学性能。结果显示，TPS颗粒具有显著更低的刚度，其中邵氏硬度低于22A的软颗粒表现出与商用硅胶相当的力学行为。循环拉伸测试证实了TPS材料中存在穆林斯效应（Mullins effect），即应力软化现象，大部分软化发生在首次加载周期，且较硬的材料表现出更大的模量下降和塑性变形。
5 案例研究：颗粒打印的气动执行器
5.1 力学表征
研究设计并打印了气动网络（PneuNet）执行器。使用22A材料制作的执行器在历经10万次驱动循环后，压力-弯曲关系保持稳定，证明了其长期耐用性和气密性。研究还探讨了挤出流量对执行器性能的影响，并比较了不同硬度材料（6A至50A）的执行器弯曲行为。在相同输入压力下，更软的材料因更低的弹性模量和更高的柔顺性而产生大得多的形变，而FFF打印的商业TPU丝材（Ninjaflex Edge, 83A）则弯曲极小。
5.2 数值模拟
通过有限元分析模拟了执行器的弯曲行为。模拟变形轮廓与实验观察到的弯曲形状高度一致。然而，在压力-弯曲角关系上存在系统偏差：对于较软材料（6A, 10A, 22A），实验弯曲角小于模拟值，可能与打印过挤导致壁厚增加有关；对于较硬材料（40A, 50A），实验弯曲角大于模拟值，这归因于未在材料模型中捕获的穆林斯效应。
6 演示
6.1 软体机械手
研究团队设计并打印了一个完全软体的机械手，包含五个手指，每个手指有三个独立的嵌入式气动腔，通过集成流道连接。整个结构以22A材料 monolithic（一体化）打印，耗时约20小时，无需后处理或组装。该机械手能够通过顺序驱动各腔室实现协调弯曲，完成对不同日常物体的抓取。
6.2 软体机器鱼
为评估水下应用的气密性和结构完整性，打印了一个软体机器鱼。该设计包含头部、身体和尾部，展示了打印具有长跨距桥接和悬垂特征的复杂几何结构的能力。通过差动驱动左右两个气动腔室，机器鱼能够实现侧向弯曲，并在水下测试中保持气密性。
6.3 可穿戴压力袖套
使用50A TPS颗粒打印了一个带有嵌入式可充气腔室的可穿戴压力袖套。通过单点充气，不对称的壁厚设计使薄的内壁向内隆起，从而在肢体周围产生径向压迫。该袖套在标准血压范围内工作良好，通过与商用血压计对比测试，显示了可重复的测量性能。
研究结论与意义
本研究系统性地论证了熔融颗粒成型技术作为软体机器人制造平台的实用性与优势。其核心贡献在于，没有将解决打印缺陷（尤其是渗流）的重任完全压在复杂的硬件修改上，而是发展了一套以材料为中心的筛选与评估方法学。通过将挤出稳定性、残余流动与可测量的流变学描述符（如零剪切粘度、剪切稀化指数）相关联，研究为从海量商用热塑性颗粒中选择适合FGF打印的材料提供了实用指南。
研究发现，成功的FGF材料候选者应具备高零剪切粘度和强剪切稀化行为。利用优化后的材料和参数，FGF能够实现高达5 mm3/s的体积流量和长达24小时的连续打印，可靠地制造出大规模、一体化、高气密性的软体系统，其机械性能与硅胶弹性体相当。所有测试的TPS材料均表现出穆林斯效应，但这并未损害执行器的长期耐久性，在经过初始机械“调节”后，性能趋于稳定。
该研究将FGF定位在增材制造谱系中一个独特的位置：它继承了FFF的低成本和可及性，又突破了其在材料硬度（可低至6A）和挤出速率上的限制；它直接利用成熟的工业颗粒供应链，避免了DIW对材料配方和流变学调制的依赖；它虽不及SLA/MJ精密，但为需要功能性、耐用性和大尺寸的软体机器人提供了一条可扩展的数字化制造路径。演示的软体机械手、机器鱼和压力袖套，强有力地证明了FGF在制造具有复杂内部流道、要求严格气密性的功能性软体设备方面的能力。
总之，这项工作弥合了劳动密集型的软光刻技术与可扩展的数字制造之间的鸿沟。它表明，通过硬件、材料和工艺的协同设计，FGF可以成为一个强大、易得的平台，用于软体机器人和可穿戴系统的快速原型制作乃至功能部署，并为未来在闭环控制、多材料打印和应用特异性材料设计方面的进步奠定了基础。
