软体机器人领域长期存在一个难题：那些让机器人变得柔韧逼真的材料，却极难被加工成精确实用的形状。韩国化学技术研究院（KRICT）的研究团队或许找到了解决方案——他们利用了一种最廉价且最常被忽视的工业废料：单质硫。他们的方法将硫基聚合物与4D打印技术相结合。4D打印是一种制造工艺，打印出的物体能随时间推移，在热、光或磁场刺激下发生物理形变。由此产生的技术平台，能用同一种材料制造游泳机器人、抓取臂和自开启胶囊，且材料在废弃后可通过熔融实现重复打印。由KRICT金东均博士与汉阳大学、世宗大学合作者领导的研究团队表示，这是该领域的首次技术验证。金博士指出："这项研究首次实现了将工业硫废料升级再造为先进机器人材料。能够自主运动且可回收的智能材料，有望成为未来软体机器人与自动化技术的关键驱动力。"
具有形状变形功能的聚苯硫醚网络（PSNs）和PSN-Fe3O4复合材料（MPSNs）的闭环和可持续4D打印示意图，用于实现多刺激响应软机器人。图片来源：KRICT。
从工业废料到可打印材料
单质硫是石油与天然气精炼的副产品，在全球范围内大量堆积。在这项研究中，硫成为新型聚合物的关键结构单元。这种结构赋予材料独特的性能组合：受热时可如液体般流动，冷却后固化保持打印形状，并能按需进行重塑形。实现这一特性的关键在于材料内部的化学键特性。与传统塑料分子结构永久固定不同，这种硫基聚合物的化学键可断裂并重组。加热时材料软化并通过打印机喷嘴流动；冷却后固化成打印形状；需要改变形状或回收产品时，再次加热即可重置。
具有形状记忆功能的材料
每种聚合物变体都有特定的刚度-柔韧转换温度。低于该温度时保持形状，高于该温度则软化并恢复原始打印形态。通过组合三种转换温度分别为14°C、32°C和52°C的变体，研究人员构建出能随温度升高依次运动的机械结构——仅需单一热源即可驱动不同部件顺序激活，无需电机、电池或线路。
第二种触发方式是近红外光。用低功率光源照射结构特定部位，可实现局部精准加热，使目标区域单独运动。对于需要精密控制的应用场景（如单个关节开启、封装盖释放内容物等），传统材料很难实现这种操控精度。当设备达到使用寿命后，可将其破碎研磨成粉末重新投入打印。这种既能打印又能"反打印"的化学特性，形成了闭环回收系统，解决了3D打印技术长期存在的废料难回收问题。
均匀3D打印的流变学和磁性表征，以及3D打印聚苯硫醚（PSN）和磁性聚苯硫醚（MPSN）的力学性能。a) 不同温度和气动压力下3D打印丝材类型的示意图。b) 不同元素硫含量（Tref = 150°C）下纯PSN的频率依赖复数粘度。c) 150°C下PSN-磁性粒子（Fe3O4）复合材料的屈服应力与重量含量的关系。d) MPSN63（含20 wt.% Fe3O4）在不同温度和气动压力下的磁性粒子浓度饱和磁化值。e) 含20 wt.% Fe3O4的MPSN63在不同温度和气动压力下的代表性实际打印条件。f) 含20 wt.% Fe3O4的3D打印PSN和MPSN在室温（25 ± 1°C）下以0.008 s−1的应变率测量的代表性应力-应变曲线。图片来源：KRICT。
无需线缆的机器人
通过向聚合物中混入氧化铁颗粒，研究人员开发出能响应磁场的复合材料。由此创造出完全无束缚的机器人装置——它们能在水下游泳、旋转、抓取和释放，仅通过下方移动的磁铁即可全程控制，无需任何电缆或电源连接。细丝状机器人展示了三种不同的水下游动模式，并能跨越物理障碍。虽然氧化铁的添加会使材料硬度略微增加、延展性降低，但所有版本都保持了足够的柔韧性，满足实际机器人应用需求。
二维和三维结构化磁性粒子自导航（MPSN）软机器人的形状变形与磁驱动。a) MPSN76夹持器通过整体形状恢复实现货物释放。b) MPSN胶囊液体装载与释放示意图。c) MPSN63/46胶囊形状编程前（上）和后（下）的对比。d) MPSN63胶囊因光热效应而发生的局部形状恢复。e) MPSN63胶囊的温度与角度分析。f) 半浸入式MPSN63/46胶囊的液体释放与混合。图（a）、（c）和（d）中的比例尺为5毫米。图（f）中的比例尺为10毫米。图片来源：KRICT
现存挑战
该平台虽具创新性，但仍处于早期阶段，研究人员也坦承其当前局限。材料打印条件十分敏感，配方每次调整都需重新校准打印机参数。添加更多氧化铁或调整硫含量意味着需从头调试设备。打印速度过快会产生肉眼不可见的微气泡，足以导致小型机器人在运动时失去平衡。材料还存在两个化学弱点：在实验室和工业环境中常见的四氢呋喃和氯仿溶剂中会发生降解。同时氧化铁的添加量存在上限，超过20%会导致材料过于粘稠无法挤出，限制了机器人对磁场的响应强度。
推动4D打印迈向实用化
KRICT的研究成果问世之际，全球研究人员正积极推动4D打印从技术演示迈向可编程、可重用、可制造的实用材料阶段。该领域的核心挑战从来不是证明形变可能性，而是开发能稳定实现形变的材料体系。除KRICT团队外，其他研究机构也在推进该领域发展。宾夕法尼亚州立大学研究人员开发出基于水凝胶的智能皮肤4D打印技术，能根据热、溶剂或机械应力刺激动态改变形状、纹理和外观，证明单一打印材料可承载多种可编程功能而非固定属性。
马德里理工大学与IMDEA材料研究所团队则提出降解触发方案，通过控制聚乙烯醇在水中的分解，逐步释放储存在第二聚合物中的弹性能量，将驱动触发因素从热/光转变为时间本身。尽管这些研究拓展了4D打印的能力边界，但都未解决可回收性问题。KRICT的硫基平台正是以其对回收闭环的直接突破而显得尤为突出。3D打印行业正在为其2026年增材制造应用系列会议征集演讲嘉宾，议题涵盖能源、医疗保健、汽车与交通、航空航天、太空与国防以及软件等领域。每场线上会议将聚焦实际生产部署、资质认证和供应链整合。相关从业者可点击此处填写演讲申请表格。
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