英文题目：Monolithic 3D Printing of Origami-Inspired Soft Robotics from Sustainable Bio-Based Resin
中文题目：基于可持续生物基树脂的折纸软体机器人一体化3D打印
作者：Alireza Montazeri, Sarah Sandmann, Dorothea Helmer, Edoardo Milana, Bastian E. Rapp
作者单位：德国弗莱堡大学（微系统工程系NeptunLab、SoftLab，FIT弗莱堡互动材料与仿生技术卓越集群）
期刊：Advanced Science（IF 14.1中科院一区，JCR一区）
发表时间：2026年1月13日接收，在线发表
链接：https://doi.org/10.1002/advs.202507395
引文格式：Montazeri A, Sandmann S, Helmer D, et al. Monolithic 3D Printing of Origami-Inspired Soft Robotics from Sustainable Bio-Based Resin[J]. Advanced Science, 2026, e2507395.
01全文速览软体机器人这几年挺火，但有个问题大家可能没太注意：做软体机器人的材料，大部分还是石油基的。硅胶、TPU这些东西，性能是好，可降解性嘛……基本没有。另一个问题是制造方式，很多时候还是模具浇注或者多步组装，想做复杂点的结构挺费劲。
弗莱堡大学这个工作有意思的地方在于，他们从源头上把这两个问题一起解决了。用大豆油（对，就是炒菜那个）开发了一种光敏树脂，通过DLP 3D打印技术，直接把一个折纸结构的软体夹爪一体打印出来。整个夹爪是一个整体，不用组装，没有胶水。更关键的是，这个树脂90%的成分来自可再生原料，生物基碳含量73%。材料性能也够用：杨氏模量18.9 MPa，断裂伸长率19.6%，能扛2000次循环测试。用它做的夹爪，能抓覆盆子、果冻、注射器，还能在水下工作。
核心亮点：
-✅真·可持续：73%生物基碳含量，原料来自大豆油和半纤维素
-✅一体成型：DLP打印，无需组装，没有泄漏风险
-✅折纸驱动：Kresling结构，靠折叠变形而不是材料拉伸
-✅够耐用：2000次循环测试无损坏
-✅挺实用：能抓软东西（覆盆子），也能下水
02研究内容🧪材料开发：从大豆油到光敏树脂
研究团队的起点很直接：能不能用大豆油做出能3D打印的光敏树脂？
他们选的主体是丙烯酸化环氧大豆油（AESO）——这东西本来就是工业上用的生物基原料，便宜、可得性好、有双键可以改性。但有个问题：AESO粘度太高，直接没法用DLP打印。所以他们加了四氢糠基甲基丙烯酸酯（THFMA）作为活性稀释剂，这东西来自半纤维素，也是生物基的。
图1用于光诱导3D打印的生物基树脂的物理化学、机械、微观和热表征。a)不同温度下的剪切速率依赖性粘度，从20°C时的4377 mPa·s降至50°C时的492 mPa·s，远低于DLP树脂的10 Pa·s阈值，并可实现环境温度3D打印。b)通过DLP制造的立方晶格测试结构的扫描电子显微镜(SEM)成像，展示了尺寸小至大约90 µm（比例尺：500 µm）的微尺度特征的成功3D打印。c)垂直打印的ISO 527-2 5B型样品的应力-应变响应，显示线弹性，无塑性变形；杨氏模量、极限拉伸强度和断裂应变分别为18.9±0.5、2.4±0.1和19.6±0.3%。d)固化薄膜(60–200 µm)的紫外可见光透射率在550 nm处表现出>97%的透明度，并具有轻微的厚度依赖性衰减。e)在水中和某些溶剂中24小时后的溶胀行为，表明在水中的吸收可以忽略不计，在极性醇和DMSO (10–15 wt.%)中适度溶胀，在PGMEA (约30 wt.%)中明显溶胀和开裂，在丙酮中崩解。f) 3D打印样品的热重分析(TGA)显示出典型的交联网络的均匀、单阶段降解曲线，起始降解温度(T5)为321°C，最大分解速率为393°C，500°C时的炭产率为<2 wt.%。
图1a显示，优化后的树脂在室温下粘度约4.4 Pa·s，远低于DLP打印通常要求的10 Pa·s上限。加热到50°C时粘度降到0.5 Pa·s以下，但实验证明室温打印完全没问题。
配方里还加了交联剂（Genomer 4230）、紫外吸收剂（Tinuvin 326）和光引发剂（TPO）。最终比例是：AESO 75%，THFMA 15%，Genomer 4230 9.5%，Tinuvin 0.5%，TPO 0.5%。计算下来，生物基碳含量73%——这个数字是用碳-14方法测的，靠谱。
打印分辨率方面，他们用这个树脂打了个晶格结构，SEM图像（图1b）显示最小特征尺寸能做到90微米左右，大概是打印机像素分辨率的2倍。对于软体机器人来说，这个精度足够做出很细的折纸折痕了。
📊材料性能：够用就行
材料力学性能用垂直打印的ISO 527-2 5B型样条测试（图1c）。结果：杨氏模量18.9 MPa，拉伸强度2.4 MPa，断裂伸长率19.6%。
这个数字跟硅胶比肯定不算高（硅胶经常能拉到200-300%），但团队的设计思路在这里起了关键作用：他们不是靠材料拉伸来变形，而是靠折纸结构的折叠。19.6%的伸长率对Kresling折纸来说，做真空驱动足够了。
其他几个指标也值得提一下：
-光学透明度：550 nm波长透过率>97%（图1d），这对集成光学传感器有好处
-化学稳定性：在水里泡24小时几乎不溶胀，乙醇和DMSO里轻微溶胀（10-15%），但丙酮里会碎掉（图1e）
-热稳定性：热重分析显示5%失重温度321°C（图1f），软体机器人用完全不用担心
🧩折纸设计：为什么是Kresling？
图2基于Kresling的折纸致动器的设计和组装：(a)初始六边形几何形状、旋转角度(β)和高度(h)的定义。(b)主要三角形面（F1和F2）的形成。(c)通过在对称平面上镜像面来创建倒置单元以补偿旋转扭矩。(d)形成封闭结构的圆形和线性排列过程的概念化。(e)排列后得到的折纸图案。(f)分解图显示添加顶盖和底盖以创建具有单个压力端口的密封室。(g)最终的整体执行器设计。(h)将执行器与柔性夹持机构集成以创建最终的软夹持器。
图1把设计思路讲得很清楚。他们选的Kresling折纸，特点是从一个六边形开始，绕轴旋转一定角度（β）再向上延伸高度（h），形成一系列三角形面。把这些面阵列起来，就得到一个封闭的管状结构（图2e）。上下加两个盖子，留一个气嘴，就是一个完整的真空驱动单元（图2g）。
为什么是Kresling而不是Miura或者Yoshimura？文章里给了理由：Miura-ori适合平面变换，做密封腔体麻烦；Yoshimura容易发生整体屈曲而不是受控折叠。Kresling的优势是天然形成封闭管状，变形模式可预测，适合做线性收缩驱动器。
最后把两个Kresling单元镜像组合，再加上一个剪刀式夹爪机构，就成了最终的夹爪设计（图2h）。
🔧驱动器性能：2000次循环没问题
图3a是测试装置示意图。给负压时，Kresling结构轴向收缩。图3b是压力和位移随时间的变化曲线，可以看出几个阶段：阀门打开、压力稳定、阀门关闭。
图3折纸致动器的机械特性。(a)用于压力-位移表征的执行器设置示意图。(b)执行器位移和内部压力作为时间的函数，突出显示阀门打开（红色）、阀门打开（黄色）和阀门关闭（蓝色）的周期。(c)从(b)中的代表点导出的压力-位移磁滞回线，说明了能量耗散。(d)执行器70小时以上的长期循环压缩试验。(e) (d)中初始循环的放大视图，显示测试前30分钟内机械响应的稳定性。
有意思的是图3c，压力-位移曲线有明显的迟滞环——这来自聚合物本身的粘弹性和空气泄漏。泄漏问题在负压超过-100 mbar时变得明显（图3b里38-46秒那段），原因是打印过程中可能产生的层间微间隙。但好消息是，在正常工作范围内（夹爪需要的变形量），泄漏率很低（约0.25 mbar/s）。
疲劳测试做了2000个循环，持续70多个小时（图3d）。前30分钟响应会有一点变化（图3e），之后就很稳定了，直到测试结束都没坏。失效模式分析显示，如果超过30%的变形，折痕处会先出现微裂纹，然后逐渐扩展（图S6）。
🤏夹爪演示：从覆盆子到水下
图4是整个工作的亮点展示。图4a是力测试装置，图4b给出了一个完整抓取循环的力和压力曲线：接近→接触（约0.22 N）→抽负压（-400 mbar）→抓力增加到约0.19 N→释放。
图4夹具性能和精细的物体操纵。(a)折纸夹具与剪刀结构和测力传感器集成的示意图。(b)力测试期间夹具操作的顺序，显示接近、接触、施力（压力减小）和释放（压力增加）的状态，与随时间测量的压力和力相关。(c)未驱动状态（左）和最大驱动状态（右）的夹具配置比较，表明底座位移和钳口间隙减小。(d)视频S1中的延时图像和相应的压力分布图，展示了夹具精细地抓取、移动和释放覆盆子的能力。
Movie S1：抓取覆盆子
真正展示水平的是图4d（对应Movie S1）：夹爪抓一颗4克的覆盆子，轻轻提起来，移动，再放回去。全程没把果肉捏烂——软体机器人的核心优势就在这里，被动顺应性让它可以安全操作脆弱物体。
Movie S2：抓果冻糖
Movie S3：抓塑料注射器
文章还做了其他演示（图S7，Movie S2-S3）：抓果冻糖（4.3 g）、抓塑料注射器（4.0 g），以及水下抓取。水下那个说明整个气腔密封性确实可以，而且材料在水里不溶胀，能正常工作。
03创新点①生物基树脂的实用化配方
之前也不是没人做生物基光敏树脂，但往往卡在力学性能上——要么太脆，要么粘度太高没法打。这个工作把AESO、THFMA、Genomer 4230三个成分的比例调得比较平衡，既保证了可打印性（室温粘度4.4 Pa·s），又让材料有了软体机器人需要的基本力学性能（18.9 MPa模量，19.6%伸长率）。73%的生物基碳含量也经得起推敲。
②折纸结构对材料要求的降维打击
如果这个夹爪是PneuNet那种靠材料膨胀变形的设计，19.6%的伸长率肯定不够用。但Kresling折纸的逻辑是：几何折叠主导变形，材料拉伸只是辅助。这就让很多伸长率不高但更可持续的材料有了用武之地。这个思路值得推广——与其死磕材料性能，不如在结构设计上做文章。
③真正的一体化打印
很多所谓的“3D打印软体机器人”其实只是打印了零件，还得手工组装、涂胶水密封。这个工作从设计上就把整个夹爪（包括气腔、折痕、剪刀机构）做成一个可打印的整体，打印完洗掉未固化树脂就能用。不仅省事，更重要的是密封可靠性大幅提升——手工组装漏气是常态，一体打印只要参数调对，泄漏主要来自层间微间隙，问题可控。
④2000次循环的耐久性验证
软体机器人领域太多论文停留在“能动的演示”阶段，耐久性数据很少。这个工作实打实地跑了70多个小时、2000个循环，并且记录了失效模式。这给后续想用这个材料的人提供了可靠的设计参考：变形量控制在什么范围能长期用，折痕处要注意什么。
⑤多场景功能验证
覆盆子、果冻、注射器、水下——这几个实验虽然简单，但覆盖了不同的需求：脆性物体、粘弹性物体、刚性物体、潮湿环境。说明这个材料+这个设计确实有潜力用在真实场景，不是只能在实验室表演。
04总结与展望这个工作给人最大的启发可能是：软体机器人的可持续发展，不一定要靠新材料从天而降，也可以靠结构设计把现有材料的潜力发挥出来。19.6%的伸长率，放在十年前可能直接被排除在软体机器人候选名单之外，但配上Kresling折纸，就能做出能干活的东西。这种思路在软体机器人还在快速发展的阶段，尤其值得关注。
另外，DLP一体打印的成熟度已经可以做出带复杂内部腔体、薄壁结构、可动部件的软体机器人，而且尺寸能做到几厘米级别。这对快速迭代、小批量定制来说是个好消息。
未来研究将聚焦于以下几个方向：
🔸微型化：90微米的分辨率已经能做不少事，但理论上DLP可以做到更高。把这个设计缩小到毫米尺度，用在微操作或医疗领域，是有可能的。
🔸多材料打印：现在的夹爪是单一材料，如果能在同一个打印过程中同时使用不同模量的材料（比如刚性骨架+柔性铰链），设计空间会大很多。已经有研究在做多材料DLP，但生物基体系还需要验证。
🔸泄漏问题进一步优化：虽然现在的泄漏率在工作范围内可以接受，但长期稳定性仍有提升空间。优化打印参数（比如折痕处的曝光时间）或后处理工艺（比如涂一层很薄的密封层）可能有用。
🔸更多折纸拓扑：Kresling适合线性收缩，但别的折纸拓扑（比如Waterbomb）可以产生不同的变形模式（弯曲、扭转）。把这些几何用生物基材料打印出来，能扩展应用场景。
🔸闭环控制：现在的演示是开环的，加上压力传感器或光学传感器（材料透明度高，方便集成），可以实现力控或位置控，抓取会更可靠。
🔸降解性研究：生物基不等于可降解。大豆油基的聚合物在自然环境中多久能分解，分解产物有没有毒性，这些问题还没回答。如果要走向环境监测或一次性医疗应用，降解数据是必需的。
从大豆油到折纸夹爪，这条路走得通。下一步是看能不能走得更远。