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2026-06
心脏级打印：3D打印机制造的人造肌肉
医疗生物力学领域新突破
微观尺度的复杂结构——一款3D打印软质致动器，即“人造肌肉”
瑞士研究人员首次通过3D打印技术制造出结构复杂的软质致动器。这种人造肌肉可对电脉冲产生响应，未来有望改变假肢与康复领域的发展格局；此外，这类3D打印复制品还能为受伤肌肉提供支撑，甚至可能在未来替代完整器官。
只需按下按钮，人造肌肉就能收缩与舒张——而且这一切都由3D打印机制造而成。听起来像科幻小说？但对瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）的研究人员而言，这已成为现实。在与苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）合作的突破性项目中，他们研发出了具备上述功能的介电弹性致动器（DEA）。
这种创新性结构由两种硅胶基材料构成：一种是导电电极材料，另一种是绝缘介电材料。两种材料以分层方式结合（类似手指交叉扣合），并能像真实肌肉一样对电脉冲做出响应。从为行动不便者提供运动支撑，到未来有望实现完整器官的3D打印——这项技术的应用潜力覆盖医疗技术、机器人技术等多个领域。
人造肌肉的核心技术
研发这类3D打印肌肉的过程中，研究人员面临诸多挑战。尽管两种软材料的电学特性差异显著，但在打印过程中，它们的物理表现需高度一致：既不能相互混合，成型后的致动器又需紧密结合。
3D打印肌肉纤维的显微图像，清晰呈现其内部结构
此外，打印出的“肌肉”需足够柔软，才能在电信号刺激下产生所需的形变。同时，所有3D打印材料还需满足固有要求：需能在压力作用下液化，以便从打印机喷嘴挤出；但挤出后又需迅速恢复黏稠度，以维持打印成型的形状。
Empa研究员帕特里克·丹纳（Patrick Danner）解释道：“这些特性往往相互矛盾——优化其中一项，另外三项通常会发生变化……而且多朝着不利方向发展。”
通过与苏黎世联邦理工学院的研究人员合作，该团队成功调和了上述诸多矛盾特性。研究中使用的两种专用墨水由Empa研发，再通过苏黎世联邦理工学院研究员设计的喷嘴，打印成可正常工作的软质致动器。这种人造肌肉对电脉冲有明确响应：接通电压时，致动器会像肌肉一样收缩；断开电压后，又会恢复到初始形态。
未来，心脏也能3D打印？
这项研究隶属于瑞士联邦理工学院（ETH Domain）“先进制造”战略领域下的“Manufhaptics”大型项目。该项目的目标之一是研发一款“可触摸虚拟世界的手套”——通过人造肌肉提供阻力，模拟抓取物体的真实触感。
软质致动器的应用场景远不止于此：它们还能替代汽车、机器人或工业设备中的传统致动器——凭借3D打印新工艺，这类致动器不仅重量轻、运行无噪音，还可按需定制任意形状。若技术进一步成熟，它们还能拓展至医疗应用领域。目前，功能聚合物材料研究组负责人多丽娜·奥普里斯（Dorina Opris）已与帕特里克·丹纳携手推进相关研究：他们研发的新工艺不仅能打印复杂结构，还能制备出细长的弹性纤维。
奥普里斯甚至认为，未来有望用这种新型纤维3D打印出完整的心脏：“只要能将这些纤维做得再细一点，就能无限接近真实肌肉纤维的工作原理。”
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