3D列印新突破：Xstrings技術打造仿生機器人與動態藝術

要打造出能模仿人類流暢且精準動作的裝置並不容易，但若能「拉動幾根線」，情況可能會大為改觀。這正是「線驅動」機制的核心理念：透過在物體中穿線，讓物體的不同部分產生流暢的動作。舉例來說，你可以將一條線從機器手掌嵌入到指尖，拉動時便能讓手指彎曲。

雖然線驅動機制能讓物體即時彎曲、扭轉或摺疊，但手動組裝這些裝置既複雜又耗時。為此，麻省理工學院電腦科學與人工智慧實驗室（CSAIL）的研究團隊開發了一種名為「Xstrings」的一體化3D列印技術。這項技術結合了設計工具與製造方法，能將所有零件一併嵌入，並製作出線驅動裝置，大幅節省組裝仿生機器人、創作藝術裝置或設計動態時尚作品的時間。

在即將於2025年人機互動會議（CHI2025）上發表的論文中，研究團隊利用Xstrings列印出一系列色彩繽紛且獨特的物件，包括一隻紅色的行走蜥蜴機器人、一件能像孔雀開屏般開合的紫色牆面雕塑、一條能纏繞物品的白色觸手，以及一隻能握拳抓取物品的白色爪子。

要製作這些吸睛的裝置，Xstrings讓使用者能在軟體中完全自訂設計，並將其傳送至多材料3D列印機，讓創意化為現實。你只需一步便能自動列印出裝置的所有零件，包括穿線的線纜和實現預期動作的關節。

MIT CSAIL的博士後研究員兼論文主要作者李家吉表示，Xstrings能為工程師節省時間與精力，與手動製作相比，總生產時間可減少40%。「我們的創新方法能幫助任何人利用桌上型雙材料3D列印機設計並製造線驅動產品。」李家吉說道。

使用Xstrings程式時，使用者首先需輸入特定尺寸的設計，例如一個被分割成小塊並在中間打孔的矩形立方體。接著，你可以選擇不同的「基本動作」來決定零件的移動方式，例如彎曲、捲曲（如彈簧）、扭轉（如螺絲）或壓縮，以及這些動作的角度。

若想打造更複雜的創作，使用者可以結合多種基本動作，創造出引人入勝的組合。例如，若要製作一條玩具蛇，你可以加入多個扭轉動作，形成「系列」組合，讓單一線纜驅動一系列動作。而在製作機器爪子時，團隊則將多條線纜嵌入「平行」組閤中，讓每根手指都能握拳。

除了精細調整線驅動機制的動作，Xstrings還能協助線纜的整合。使用者可以精確選擇線纜的固定方式，包括「錨點」（終點）、「穿線區域」（線纜穿過的結構孔洞）以及「操作點」（拉動線纜的位置）。例如，在機器手指中，你可以將錨點設在指尖，線纜穿過手指，並在另一端露出拉動標籤。

Xstrings還支援多樣化的關節設計，能自動放置彈性、柔軟或機械元件，讓線纜在完成預期動作時能順利轉向。

一旦使用者在數位藍圖中模擬出線驅動裝置，便能透過製造將其化為現實。Xstrings能將設計傳送至熔融沉積成型3D列印機，將塑膠熔化後從噴嘴擠出，逐層堆疊出結構。Xstrings利用這項技術水平鋪設線纜並圍繞其進行建造。

為確保這項方法能成功列印出線驅動裝置，研究團隊仔細測試了材料與列印條件。例如，他們發現線纜在被機械裝置上下拉動超過6萬次後才會斷裂。在另一項測試中，團隊發現以260度攝氏溫度和每秒10至20毫米的速度列印，是製作這些創意物件的理想條件。

「Xstrings軟體能讓各種創意化為現實，」李家吉表示。「它能讓你製作出像人類手掌一樣的仿生機器人，模仿我們的抓握能力。你也可以創作互動藝術品，例如具有獨特幾何形狀的線驅動雕塑，以及帶有可調節襟片的服裝。未來，這項技術或許能在太空站或外星基地等高度受限的環境中，快速一步到位地製造出線驅動機器人。」

這項技術不僅提供了極大的靈活性，還顯著加快了線驅動物件的製造速度。它創造出的物件外硬內軟，未來團隊可能會開發出外軟內硬的物件，就像人類的皮膚與骨骼。此外，他們也考慮使用更耐用的線纜，並嘗試嵌入斜向甚至垂直的線纜，而非僅水平列印。