德國(guó)研究人員采用3D打印技術(shù)和仿生學(xué)開發(fā)無需電池驅(qū)動(dòng)的機(jī)械翅膀

2025年2月12日，南極熊獲悉，受帝王蝶的結(jié)構(gòu)和飛行動(dòng)力學(xué)啟發(fā)，德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)和德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茲中心(HZDR)的研究人員開發(fā)了一種機(jī)器人翅膀。這些翅膀通過3D打印技術(shù)制造，無需電池即可運(yùn)行，并配備了一個(gè)被動(dòng)彎曲系統(tǒng)以產(chǎn)生高效的運(yùn)動(dòng)。研究人員表示，這些柔性機(jī)器人可以在環(huán)境研究、搜救行動(dòng)和醫(yī)療應(yīng)用等領(lǐng)域找到應(yīng)用。

△當(dāng)暴露于磁場(chǎng)時(shí)，3D打印蝴蝶翅膀就會(huì)飛舞

眾所周知，真實(shí)蝴蝶的翅膀不僅強(qiáng)度驚人，而且飛行效率極高。帝王蝶每年在墨西哥和加拿大之間進(jìn)行數(shù)千英里的遷徙，展現(xiàn)了巨大的能量和機(jī)械效率，這激發(fā)了研究人員的靈感。他們利用3D打印技術(shù)復(fù)制了這些蝴蝶翅膀的結(jié)構(gòu)，并將它們集成到新的機(jī)器人設(shè)備中。這些3D打印的機(jī)器人機(jī)翼是用含有微小磁性顆粒的熱塑性聚氨酯復(fù)合材料制造的，當(dāng)暴露在磁場(chǎng)中時(shí)，機(jī)翼的拍動(dòng)就會(huì)被激活。

由Oliver Gutfleisch教授和Denys Makarov博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)制作了12個(gè)翅膀模型，這些模型采用了不同的結(jié)構(gòu)復(fù)制品。其中，受帝王蝶靜脈結(jié)構(gòu)啟發(fā)的設(shè)計(jì)表現(xiàn)最佳。研究人員通過有限元分析模擬和實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了這些圖案對(duì)機(jī)翼空氣動(dòng)力學(xué)和機(jī)動(dòng)性的影響。研究結(jié)果發(fā)表在《先進(jìn)智能系統(tǒng)》期刊上，揭示了具有類似靜脈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠提升材料的強(qiáng)度和適應(yīng)性，同時(shí)保持靈活性不受損害。為了實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)的復(fù)制，團(tuán)隊(duì)使用了激光粉末床熔合(L-PBF)技術(shù)進(jìn)行3D打印。

△相關(guān)研究題目為“3D打印磁性蝴蝶的仿生設(shè)計(jì)、制造和翅膀變形”（傳送門）

3D打印翅膀有哪些潛在應(yīng)用

這些翅膀的發(fā)展為多個(gè)領(lǐng)域開辟了新的可能性。在環(huán)境研究中，它可以用于監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)，并研究傳粉昆蟲種群。在搜索和救援任務(wù)中，它們輕巧且高效的設(shè)計(jì)將使探索自然災(zāi)害后難以進(jìn)入的區(qū)域成為可能。此外，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)，或用于開發(fā)具有變形能力的人造肌肉和智能材料。

△利用粉末床激光熔化技術(shù)復(fù)制了帝王蝶的翅膀結(jié)構(gòu)

目前，這些仿生翅膀面臨的科研難題是需要外部磁場(chǎng)來提供動(dòng)力。研究的共同作者M(jìn)uhammad Bilal Khan指出，“未來的工作可以集中在集成更多的微型磁場(chǎng)發(fā)生器和反饋控制，以實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行。”研究團(tuán)隊(duì)還將探索新策略，通過調(diào)整磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向來優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制和精確度。

這些機(jī)器翅膀的開發(fā)代表了仿生機(jī)器人技術(shù)的一大突破。同時(shí)，3D打印技術(shù)展示了在創(chuàng)建能夠模仿生物系統(tǒng)效率和適應(yīng)性的功能性設(shè)備方面的巨大潛力。隨著未來技術(shù)的改進(jìn)，它有望徹底改變從環(huán)境監(jiān)測(cè)到精準(zhǔn)醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。