想要达到猎豹的奔跑、蛇的轻盈滑行，以及人类的灵巧抓握：每一项都离不开软组织和硬组织之间无缝的相互作用。肌肉、肌腱、韧带和骨骼协同工作，提供动物王国中常见的复杂动作所需的能量、精准度和活动范围。

在机器人技术中复制这种肌肉骨骼的多样性极具挑战性。到目前为止，使用多种材料的3D打印一直是制造软硬机器人的一种方法。虽然这种方法可以模拟生物组织的多样性，但这意味着机器人结构中诸如刚度或承重强度等关键特性无法得到连续控制。

目前，由乔西·休斯（Josie Hughes）领导的洛桑联邦理工学院（EPFL）工程学院计算机器人设计与制造实验室（CREATE）的团队，开发出了一种创新的晶格结构，将生物组织的多样性与机器人控制和精度相结合。该晶格由简单的泡沫材料制成，由多个可通过编程调整形状和位置的独立单元（细胞）组成。这些单元可以呈现超过一百万种不同的配置，甚至可以组合成无限的几何变化。

博士后研究员Benhui Dai表示：“我们利用可编程晶格技术构建了一个受肌肉骨骼启发的大象机器人，它拥有柔软的鼻子，可以扭转、弯曲和旋转，以及更坚固的髋关节、膝关节和足关节。这表明，我们的方法为设计前所未有的轻量化、适应性更强的机器人提供了一种可扩展的解决方案。”这项研究最近发表在《科学进展》杂志上。

两个编程维度；无限的几何变化

该团队的可编程晶格可以使用两种主要细胞类型（具有不同的几何形状）进行打印：体心立方（BCC）细胞和X-cube细胞。当使用每种细胞类型3D打印机器人“组织”时，生成的晶格具有不同的刚度、变形和承重性能。但CREATE实验室的方法也允许他们打印由混合细胞组成的晶格，其形状介于BCC和X-cube之间的任意形状之间。

博士后研究员Benhui Dai表示：“这种方法能够实现刚度分布的连续空间融合，并允许无限范围的混合单元。它特别适合复制象鼻等肌肉器官的结构。”

除了调节每个细胞的形状外，科学家们还可以编程它们在晶格中的位置。这第二个编程维度允许他们沿每个细胞的轴线旋转和移动（平移）。这些细胞甚至可以相互叠加，形成全新的细胞组合，从而使最终的晶格拥有更广泛的机械性能。为了直观地了解潜在变化的规模，一个包含四个叠加细胞的晶格立方体可以产生大约400万种可能的配置，而五个细胞的配置则超过7500万种。

防水且支持传感器

对于该大象模型，这种双重编程功能使其能够制造出几种具有独特运动范围的不同类型的组织，包括滑动平面关节（存在于足部小骨中）、弯曲单轴关节（存在于膝盖中）和双向弯曲双轴关节（存在于脚趾中）。该团队甚至能够通过设计专门用于扭转、弯曲和旋转运动的独立晶格部分来复制大象肌肉发达的躯干的复杂运动，同时保持这些运动之间的平滑连续过渡。

Hughes表示，除了改进泡沫材料或引入新的泡孔形状外，其独特的泡沫晶格技术结构还为未来的机器人研究提供了许多可能性。“与蜂窝结构类似，晶格的强度重量比可以非常高，从而可以制造出非常轻巧高效的机器人。开放式泡沫结构非常适合在流体中运动，甚至可以在结构中加入传感器等其他材料，从而进一步增强泡沫的智能化。”