在软体机器人与生物医学工程飞速发展的今天，如何制造出既具有复杂几何构型，又保持高致密度的实体硅胶模型，一直是困扰业界的难题。2026年1月16日，香港中文大学机械系联合英国曼彻斯特大学、中科院、英国诺丁汉Trent大学提出了一项突破性的解决方案——机器人辅助多轴嵌入式硅胶打印系统（Multi-axis Embedded Silicone Printing, ESP）。研究通过创新的曲面切片算法与交错路径规划，成功消除了传统3D打印的阶梯效应，将软体模型的填充率提升至99.47%，推动了个性化医疗辅具与高性能软体机器人的发展。
研究背景
硅胶材料因其卓越的耐热性、绝缘性以及与人体组织高度相似的生物相容性，成为了制造人工组织、可穿戴设备及软体机器人的首选材料。然而，想要制造出形状复杂的硅胶实体，并非易事。传统的模具铸造工艺虽然成熟，但面对复杂的拓扑结构或倒扣特征时，往往需要设计极其昂贵且繁琐的多部件模具，且无法满足个性化定制的需求。
为了解决这一问题，直写式3D打印（DIW）应运而生，但在打印低粘度硅胶时，材料极易因重力塌陷。随后出现的嵌入式打印（ESP）技术，即在凝胶状的支撑基质中进行打印，这虽然解决了塌陷问题，却在制造实体体积模型时遭遇了新的瓶颈。
当前的ESP技术主要依赖传统的三轴打印机和平面切片策略。这种层层叠加的方式在处理曲面时，不可避免地会产生粗糙的阶梯效应，导致模型表面精度极差。更为严重的是，由于硅胶墨水与支撑基质互不相溶，在打印大体积实体时，层与层之间的重叠往往导致墨水堆积或产生内部空隙，极大地削弱了成品的机械性能。如何打破平面打印的局限，实现高保真、高致密的软体制造，成为了该领域亟待攻克的难题。
研究内容：软硬结合的“多维”突破
面对上述挑战，香港中文大学团队摒弃了传统的平面思维，开发了一套软硬件深度融合的机器人辅助多轴打印框架。这项研究的核心在于利用六自由度机械臂的灵活性，配合先进的计算制造算法，实现了从“二维堆叠”向“三维随形”的跨越。
△(a) 提出的多轴嵌入式硅胶打印 (ESP) 系统，通过机器人辅助的空间材料沉积，在凝胶类支撑基质中制造自由形态的体积硅胶模型。(b) 空间路径生成的流程包括：为统一层高而优化的基于场的切片；(c) 边界贴合路径规划，包含层内交错沉积。此处路径密度通过关于局部层高的挤出约束来控制。(d) 与基于平面的解决方案相比，提出的多轴 ESP 有效减少了阶梯效应，增强了表面光洁度和几何保真度。(e) 定制假肢接受腔的制造结果，具有近乎实心的填充（CT 扫描显示填充率为 99.47%）。
1. 硬件系统：六轴联动打破空间限制
研究团队构建了一套由UR5e六自由度机械臂驱动的打印系统。与只能在XYZ三个方向移动的传统打印机不同，系统能够灵活调整喷头的姿态，使其始终垂直于打印曲面。这种多轴运动能力是实现复杂曲面保真打印的硬件基础。
2. 核心算法：基于场的曲面切片与路径规划
这是该研究最核心的创新点。团队并未沿用传统的水平切片法，而是提出了一种基于标量场的曲面切片策略：
•曲面切片（Curved Slicing）： 通过计算优化，生成与模型几何特征高度贴合的曲面层，而非平直的切片层。这种方法顺应了模型的自然曲率，从根本上消除了因层级错位产生的“阶梯纹路”。
•交错路径规划（Interleaved Path Planning）： 针对实体填充难的问题，团队开发了一种独特的交错纹理策略。在奇数层和偶数层分别采用相互垂直的路径（如轮廓路径与锯齿路径交替）。这种设计就像编织布料一样，迫使硅胶墨水在不同方向上均匀铺展，有效填补了层间空隙。
△用于边界贴合交错路径生成算法的概述。(a) 曲面打印层。(b) 边界距离场。(c) 为奇数层计算的边界贴合路径。(d) 在三角形单元上使用周期函数生成路径的示意图。(e) 控制向量场。(f) 周期标量场。(g) 为偶数层生成的条纹图案路径。(h) 不同方法生成的路径宽度分布比较。
3. 工艺控制：自适应宽度约束
在曲面切片中，层高可能随位置变化，这要求局部挤出材料的高度与之相匹配，才能实现层间可靠融合；然而，材料高度与局部沉积量相互耦合，容易造成局部沉积不均。为此，研究人员引入了体积恒定的宽度控制算法：该算法依据局部层高变化实时计算并调整路径宽度，使变层高曲面切片上各位置的材料沉积量尽可能均匀，从而既避免过充导致的肿胀，也防止欠充造成的断裂。
△宽度约束路径算法概述。(a) 具有路径宽度场的原始等值层。(b) 具有恒定路径宽度场的基于宽度的变形后的等值层。(c) 在变形等值层上生成的等宽路径。(d) 在原始等值层上提取的宽度约束路径。(e) 有无基于宽度的变形时的路径宽度误差累积分布。
三、 研究结论
为了验证这套系统的实际效能，研究团队进行了一系列严苛的实验，涵盖了从医疗辅具到仿生器官的多种应用场景，实验结果令人振奋。
△(a) 多轴 ESP 的物理实验设置，其中使用 6-DOF 机械臂提供沿挤出机同步运动的空间材料挤出。(b) 假肢接受腔模型的制造过程
1. 多材料软体机器人的功能验证
为了验证系统对不同流变性能材料的适应性，团队制造了多种构型的软体气动机器人（S型、L型、扭转致动器）。实验采用了三种不同硬度和特性的硅胶材料（Ecoflex 0030, Mold Star 30, Dragon Skin 10）进行打印。结果显示，得益于交错的路径规划，所有打印出的机器人在充气后均表现出优异的气密性，无漏气现象。不同硬度的机器人在相同气压下展现了预期的差异化变形行为（如软材料弯曲曲率更大），证明了该工艺在制造功能性软体驱动器方面的可靠性和通用性。
△使用各种硅胶材料的软体机器人模型的打印结果。(a) 机器人辅助 ESP 的打印过程；(b) S 形软体机器人的纵向横截面及其充气形状；(c) 充气的扭曲型和 (d) L 形软体机器人；这三个机器人均由 Ecoflex 0030 制造，但内部设计不同。(e) 由 Mold Star 30 制成的 S 形软体机器人在不同压力下的变形；(f) 由 Dragon Skin 10（左）和 Mold Star 30（右）制成的 S 形软体机器人在相同压力下的变形。
2. 变厚度薄膜与仿生形态模拟
研究团队通过打印人体胸部模型，展示了该技术在制造变厚度薄膜结构上的独特优势。传统的等厚度打印模型在充气后只能形成球状隆起，而利用该系统特有的“基于变形的变宽控制算法”，团队成功制造了具有可变壁厚的胸部模型。该模型在充气后，能够精准模拟真实人体胸廓的形态变化。这证明了多轴ESP系统不仅能打印实体，也能在复杂的自由曲面上精确控制材料分布，为定制化可穿戴设备和医疗模拟器的制造提供了新思路。
△(a) 具有可变厚度的双层胸部模型的多轴 ESP 工艺，其中 (a2) 突出了构成封闭气动腔室的工艺（细节也可在补充视频中找到）。(b) 胸部模型在充气后呈现不同的形状。左：恒定厚度的胸部模型；右：具有可变厚度设计的胸部模型可以更好地模仿人类胸部形状，并允许形状从 (c) 人类胸部形状（左）变为人类胸部形状（右）
3. 复杂解剖结构的无损高精制造
在极具挑战性的主动脉模型（包含薄壁和实体区域）打印中，多轴ESP技术展现了惊人的细节还原能力。相比传统平面打印出现的严重拉丝、塌陷和尺寸偏差，新技术利用6轴机械臂的空间运动，始终保持喷头垂直于打印面，完美保护了血管内壁等关键区域。几何精度： 3D扫描显示表面误差控制在 1.5毫米以内（仅为模型尺寸的1%），平均尺寸误差从传统工艺的0.49毫米降低至 0.20毫米（精度提升59%）。致密度： CT扫描证实内部填充极其致密，孔隙率仅为 0.25%，实现了真正的实体打印。
△(a) 主动脉模型的多轴 ESP 工艺，其中机器人的空间运动实现了贴合打印以保护关键区域。(b) 传统基于平面的 ESP 的打印结果显示墨水沉积不当，关键区域有明显的拉丝缺陷，导致较大的尺寸误差。(c) 我们的方法的打印结果显示出良好的表面光洁度、高几何精度和良好的填充性能——CT 扫描结果 (c3) 证明了这一点。(d) 多个打印周期的误差分布。三个多轴打印周期表现出极好的一致性和可重复性。与传统的平面 ESP 相比，多轴打印实现了更高的尺寸精度，将平均误差从 0.49 mm 降低到 0.20 mm。
未来展望
这项研究不仅解决了当前嵌入式打印的技术痛点，更为软材料的数字化制造描绘了蓝图：
1. 材料与尺度的拓展
研究团队计划在未来进一步拓展材料库，测试更多种类的支撑基质与功能性硅胶，以适应不同硬度和弹性的需求。同时，针对大尺寸模型打印中可能出现的机械臂碰撞问题，团队将致力于开发更智能的避障算法，从而制造出体积更大、结构更复杂的软体系统。
2. 智能化闭环控制
目前的系统主要依赖预先计算的路径。未来，研究人员设想引入原位监测系统（如视觉传感器），实时监控打印过程中的墨水沉积状态。通过建立闭环反馈机制，系统将能动态修正打印参数，从而在面对环境干扰或材料批次差异时，依然保持工业级的制造稳定性。
3. 个性化医疗的普及
随着技术的成熟，这套多轴打印系统有望在医疗领域大规模落地。从贴合患者皮肤的穿戴式电子设备，到模拟真实触感的手术训练模型，该技术将极大地降低定制化医疗器械的制造门槛与成本，让精准医疗惠及更多患者。
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