基于欠挤出的生物启发式 3D 打印：实现软质与硬质材料牢固结合

一、研究背景与挑战

脊椎动物依靠刚性结构（如骨骼）支撑与柔性组织（如肌肉）适应的协同作用，高效应对环境交互，这为软机器人设计提供了灵感。将刚性与柔性材料整合，可解决软机器人抓取重物能力弱、精密元件缺乏保护等局限，但软硬材料结合界面耐用性差的问题长期制约混合机器人发展。

现有解决方案存在明显缺陷：传统硅酮胶粘合易失效，是结构薄弱点；多喷头 3D 打印等专用设备成本高、普及率低；现有熔融沉积成型（FDM）技术的互锁结构密度不足，难以满足耐用性需求。为此，研究团队开发了一种适用于几乎所有商用 FDM 打印机的技术，利用常见的 “欠挤出” 现象，模仿生物纤维结缔组织的多孔结构，实现软硬材料的牢固结合。

图注（a）在自然界中，结缔组织的重要功能之一是将刚性组织与软质组织牢固结合。以人类指甲为例，甲床通过指甲板底部的角蛋白纤维网实现粘合（图 1a 经许可转载自 [34]）。（b）混合抓手的制备流程。（c）搭接剪切结合测试样品的 3D 渲染图，含打印纤维的显微放大图。3D 渲染采用 SolidWorks 2021 SP5.1 软件制作（网址：https://www.solidworks.com/，法国达索系统公司），序列号：9710-0056-4796-9400，授权方：特文特大学。（d）不同欠挤出百分比下打印样品的扫描电子显微镜（SEM）图像。（e）不同欠挤出百分比下的样品在硅橡胶注入多孔区域后的 SEM 图像：可见在较低流量下，软质橡胶能完全包裹打印纤维。

二、核心技术原理

生物启发：纤维结缔组织的启示

自然界中，脊椎动物通过胶原纤维交织的多孔结缔组织（如肌腱、指甲与甲床的连接）实现软硬组织的稳固结合 —— 多孔结构既降低应力集中，又通过机械互锁增强界面结合。研究以此为灵感，将 FDM 打印中 “欠挤出” 这一常见缺陷转化为优势。

欠挤出的可控利用

欠挤出指 FDM 打印中挤出机供料不足，导致沉积材料被拉伸，形成细于喷嘴标称尺寸的纤维。通过调整流量百分比（10%-50%）与打印速度（80mm/s 为主），可精准控制纤维直径与多孔结构孔隙率：

低流量形成更细纤维与更高孔隙率，利于软质硅胶渗透；
纤维交织形成类似结缔组织的网格，与硬质 PLA（聚乳酸）通过层间融合稳固连接，同时与软质硅胶形成机械互锁。

制备流程

设计与参数调整：将刚性段与欠挤出多孔段分开设计，通过修改 G 代码为多孔段设置低流量参数；

3D 打印：用 Creality Ender-5 打印机打印 PLA 基底，底层为 100% 流量刚性段，上层为欠挤出多孔段；

硅胶浇注：将打印件放入模具，向多孔段浇注硅胶（伊科菲克斯 00-10 或龙皮 10），真空除泡后固化，完成混合部件制备。

三、关键实验结果

显微验证：结构可控性

扫描电子显微镜（SEM）与数码显微成像显示：

打印纤维直径与理论预测值平均误差仅 7μm，10% 流量下可获得直径 73μm 的细纤维；
硅胶能充分渗透多孔结构，30% 流量打印的纤维可被硅胶完全包裹，为机械互锁提供基础。

结合强度测试：优于传统粘合剂

通过搭接剪切试验与 180° 剥离试验，对比该技术与商用 Sil-Poxy 硅酮胶的性能，结果显示：

伊科菲克斯 00-10 硅胶：30% 欠挤出样品的搭接剪切强度提升 106%，剥离强度提升 226%，断裂力达 12.45±1.22N，远高于胶粘合样品的 6.03±1.08N；
龙皮 10 硅胶：30% 欠挤出样品的搭接剪切强度提升 68%，剥离强度提升 281%，耐受剥离力达 34.82±5.29N，显著优于胶粘合样品；
填充率测试表明，25% 填充率 + 30% 流量组合的结合强度最优，剥离力达 13.88±0.54N。

压力测试：适配气动软机器人

针对气动软机器人的核心需求，进行气球膨胀测试：

欠挤出样品的耐受压力是传统胶粘合的 3 倍以上：30% 欠挤出的伊科菲克斯样品耐受压力达 8.2±0.4kPa（胶粘合仅 5kPa），龙皮 10 样品达 36.6±0.4kPa（胶粘合低于 8kPa）；
循环稳定性优异：30% 欠挤出的伊科菲克斯样品在 1000 次循环测试（压力为最大耐受值的 80%）后，仅因硅胶轻微塑性变形导致压力小幅下降，结合界面保持完整。

图注混合充气样品的气球膨胀压力测试结果（对比胶粘合与欠挤出结合）

（a）硅酮胶（Sil-Poxy）粘合的伊科菲克斯 00-10 样品失效渗漏前的状态；（b）欠挤出结合的伊科菲克斯样品：发生塑性变形但未断裂，耐受压力（7.7 kPa）高于胶粘合样品；（c、d）伊科菲克斯 00-10 硅胶在三种结合方式下的最大耐受压力与最大形变；（e、f）龙皮 10 硅胶在两种欠挤出率与硅酮胶粘合下的最大耐受压力与最大形变；（g）失效样品分析：硅酮胶粘合样品因粘合界面分离失效，欠挤出样品因界面应力集中失效；（h）30% 欠挤出结合的伊科菲克斯 00-10 样品在 1000 次循环测试中的表现（循环压力为（c）中最大压力的 80%）。（原始数据见数据可用性部分）

四、应用演示：混合机器人原型

研究基于该技术开发两款混合抓手，验证实际应用价值：

带 “指甲” 的软执行器：模仿人类指甲与甲床的连接，在软质弯曲执行器外层结合 3D 打印刚性 “指甲”。该抓手可抓取 LED 灯、M2 螺母等微小物体，解决传统软抓手操控精细物品能力弱的问题；
六边形充气抓手：由刚性 PLA 框架与软质充气面板组成，通过欠挤出技术连接面板与硅胶软关节。抓手可单独或同步驱动多个充气面板，适配不同形状物体，兼具刚性结构的支撑力与软质材料的适应性。

图注采用所提技术制备的混合抓手

（a、b）受生物启发的混合抓手（模仿人类指甲）：刚性指甲板与多孔网格结合，复刻指甲与甲床的天然结合，可操控 LED 灯（a）或 M2 螺母（b）；（c-f）六边形软硬混合充气抓手：可通过外表面（c）与内表面（d、e）操控物体；充气膜与软质铰链均通过欠挤出技术与刚性段结合，提升了对不同尺寸物体的抓取适应性；（f）抓手的技术图纸见补充材料图 S9、S10。