導讀：麻省理工學院研發了一種新系統，能自動設計和3D打印機器人部件，可以收起3D打印的睡蓮花瓣，還能在不同角度展示不同畫作。
      近日，發表在Science Advances的一篇論文中，麻省理工的研究人員介紹了一種能3D打印機器人部件的系統，這種系統能夠通過定制的3D打印機制作驅動器，當驅動器角度發生變化時，展示出兩種不同的畫作。為了演示這一系統，研究人員還用3D打印技術打印了漂浮的睡蓮，花瓣上安裝了一系列驅動器和鉸鏈，這些驅動器和鉸鏈可以隨著磁場在導電液體中流動而使花瓣折疊起來。

一、驅動器控制角度展示不同圖像
      該系統采用灰度圖像樣本作為輸入，驅動器在平放時展示出的是一副梵高的肖像，當它被激活傾斜一個角度時，又可以描繪出Edvard Munch的畫作《吶喊》。它基本上是在執行一個復雜形式的試錯，有點像重新排列組合魔方，在這種情況下，大約550萬個三維像素，或者說“體素”進行迭代的重新配置，以匹配圖像并滿足測量的角度。
      驅動器由三種不同材料制成，每種材料有不同的明暗顏色和特性，比如柔韌性和磁化強度，可以根據控制信號控制驅動器的角度。定制的3D打印機通過逐層將正確的材料放入正確的體素中來制造驅動器。軟件首先將驅動器的設計分解成數百萬個體素”，每個像素都可以填充任何一種材料。然后，它運行數百萬次模擬，用不同的材料填充不同的體素。最終，它落在每個體素中每種材料的最佳位置，從而在兩個不同的角度產生兩個不同的圖像。
二、光線追蹤技術調整色調明暗
     新的3D打印技術現在可以使用多種材料來創建一種產品，也就是說可以通過多種材料的不同性能進行各種組合，以找出最佳結構。

   研究人員首先定制了三種聚合物材料，這些材料具有構建驅動器所需的特定屬性：顏色、磁化和剛性。最后，他們生產了一種近乎透明的剛性材料，一種用作鉸鏈的不透明柔性材料，以及一種響應磁信號的棕色納米粒子材料，并將所有特征數據插入屬性庫中。最初，系統從屬性庫中隨機的將不同材料分配給不同體素，進行模擬運行后，系統會產看這種排列是否以一定角度描繪了兩個目標圖像。如果沒有，系統會收到一個錯誤信號，這個信號會對哪個體素需要被改變做出提示。例如，在施加磁場時，在棕色磁性體素周圍添加、移除和移動磁性體素會改變驅動器的角度。同時，系統還必須考慮如何調整這些棕色體素影響圖像顯示。
     為了在每次迭代中計算驅動器的外觀，研究人員采用了一種名為“光線追蹤”的計算機圖形技術，該技術模擬光與物體相互作用的路徑。模擬光束穿過每一列體素的驅動器，不同的材料序列在水平或成角度時發出不同的灰色陰影。例如，在驅動器是平的時候，光束可以照射在許多棕色體素的色譜柱上，產生暗色調。當驅動器傾斜時，光束會照射在未對準的體素上，棕色體素可能會偏離光束，而更清晰的體素可能會移動到光束中，產生更亮的色調。
三、“按需噴墨”確定材料體素位置
     為了制造驅動器，研究人員定制了3D打印機，使用了一種叫做“按需噴墨”的技術。將三種材料的紙盒連接到印刷頭上，通過單獨控制的數百個噴嘴，3D打印機將30微米大小的指定材料噴射到各自的體素位置上。液滴落在基板上會隨即凝固，通過這種方式，打印機逐層的構建對象。該論文的第一作者Subramanian Sundaram博士說：“我們的最終目標是自動找到任何問題的最優設計，然后利用我們優化設計的輸出來制造它。”
四、新系統可用于制造仿生機器人
     隨著角度發生變化的圖像展示了這個系統可以做什么，針對外觀和功能進行了優化的驅動器還可以用于機器人技術中的仿生學。例如，有研究人員正在設計具有驅動器陣列的水下機器人皮膚，旨在模仿鯊魚皮膚上的齒狀物。驅動器在形狀上做出改變，以減少阻力，水下機器人可以更快、更安靜的游泳。這些驅動器覆蓋在水下機器人皮膚表面，可以優化阻力和轉向效率。
     如今的機器人驅動器正變得越來越復雜，根據應用程序的不同，它們必須針對重量、效率、外觀、靈活性、功耗以及其他各種功能和性能指標進行優化。通常，研究人員回手動計算這些參數來找到最佳設計。
結語：新系統將為大規模結構提供基礎
        Sundaram表示，他們的工作可以作為設計飛機機翼等更大結構的基礎，他們的研究人員已經開始將飛機機翼分解成更小的像素塊，優化重量、升力和其他設計指標。雖然麻省理工的新系統現在還不能打印機翼這種更大結構的東西，但已經是朝著大規模結構的設計邁出了第一步，未來該系統獲獎幫助人類完成人工無法完成的任務。