麻省理工学院的研究人员开发了一个自动化系统，设计并3D打印复杂的机器人部件，名为执行器（actuators），根据大量的规格进行优化。简而言之，该系统自动完成了几乎不可能由人类手动完成的任务。

在发表在Science Advances上的一篇论文中，研究人员通过制造致动器来展示该系统，这些执行器能够机械地控制机器人系统，以响应不同角度显示不同黑白图像的电信号。

例如，一个执行器在平放时描绘梵高的肖像。它被激活后倾斜了一个角度，然后它描绘了著名的《呐喊》。研究人员还用3d技术打印了漂浮睡莲，花瓣上安装了一系列驱动器和铰链，这些驱动器和铰链会随着磁场在导电液体中流动而折叠起来。

执行器由三种不同材料的拼凑而成，每种材料具有不同的浅色或深色以及诸如柔性和磁化的特性，其响应于控制信号控制执行器的角度。

软件首先将执行器设计分解为数百万个三维像素或“体素”，每个像素都可以填充任何材料。然后，它运行数百万次模拟，用不同的材料填充不同的体素。最终，它落在每个体素中每种材料的最佳位置，以在两个不同的角度生成两个不同的图像。定制的3D打印机通过逐层将正确的材料放入正确的体素中来制造执行器。

“我们的最终目标是自动为任何问题找到最优设计，然后使用我们优化设计的输出来制作它，”第一作者Subramanian Sundaram博士说，“我们选择印刷材料，寻找最优设计，以几乎完全自动化的方式制造最终产品。”

移动图像演示了系统可以做什么。但是针对外观和功能进行了优化的执行器也可以用于机器人技术中的仿生学。例如，其他研究人员正在设计具有致动器阵列的水下机器人皮肤，旨在模仿鲨鱼皮肤上的小齿。小齿集体变形以减少阻力，从而更快，更安静地游泳。你可以想象水下机器人的整个阵列的执行器涂在他们的皮肤表面，可以优化拖动和转动。

组合爆炸

如今的机器人执行器变得越来越复杂。根据应用，它们必须针对重量，效率，外观，灵活性，功耗以及各种其他功能和性能指标进行优化。通常，专家手动计算所有这些参数以找到最优设计。

除此之外，新的3D打印技术现在可以使用多种材料来创建一种产品。这意味着设计的维度变得非常高。

“剩下的就是所谓的组合爆炸，在这种情况下，你基本上拥有如此多的材料和性能组合，你没有机会评估每种组合以创造最佳结构，”Sundaram说。

在他们的工作中，研究人员首先定制了三种聚合物材料，这些材料具有构建执行器所需的特定属性：颜色，磁化和刚性。最后，他们生产了一种近透明的刚性材料，一种用作铰链的不透明柔性材料，以及一种响应磁信号的棕色纳米粒子材料。他们将所有特征数据插入属性库中。该系统采用灰度图像示例作为输入，例如显示梵高肖像的平面执行器，但以精确的角度倾斜以显示《呐喊》。它基本上执行复杂形式的试错，这有点像重新排列魔方的立方体但是在这种情况下，大约550万个体素被迭代地重新配置以匹配图像并满足测量的角度。

最初，系统从属性库中绘制以随机地将不同的材质分配给不同的体素。然后，它运行一个模拟，以查看该排列是否直接和以一定角度描绘两个目标图像。如果不是，则会收到错误信号。

该信号让它知道哪些体素在标记上，哪些体素应该被改变。例如，在施加磁场时，在棕色磁性体素周围添加，移除和移动将改变执行器的角度。但是，系统还必须考虑如何对齐那些棕色体素会影响图像。

基于体素分布

为了计算每次迭代时执行器的外观，研究人员采用了一种称为“射线追踪”的计算机图形技术，该技术模拟光与物体相互作用的路径。模拟光束穿过每列体素处的执行器。可以用超过100个体素层制造致动器。色谱柱可以包含超过100个体素，不同的材料序列在平坦或成一定角度时会发出不同的灰色阴影。

例如，当致动器是平的，光束可以照射在包含许多棕色体素的柱上，产生暗色调。但是当执行器倾斜时，光束将照射在未对准的体素上。棕色体素可能会偏离光束，而更清晰的体素可能会移动到光束中，从而产生更轻的色调。该系统使用该技术来对准需要处于平的和成角度图像中的深色和浅色体素列。经过1亿次或更多次迭代，以及几个小时到几十个小时之后，系统将找到适合目标图像的排列。

为了制造执行器，研究人员构建了一个定制的3D打印机，该打印机采用了一种称为“按需喷墨”的技术。这三种材料的纸盒连接到打印头上，打印头上有数百个可单独控制的喷嘴。打印机将30微米大小的指定材料液滴喷射到其各自的体素位置。一旦液滴落在基板上，它就会固化，通过这种方式，打印机逐层构建对象。

Sundaram说，这项工作可以作为设计大型结构的垫脚石，例如飞机机翼。研究人员同样开始将飞机机翼分解成更小的体素块，以优化其重量和升力设计以及其他指标。“我们还不能在那个尺度上打印机翼或任何东西，但我认为这是迈向这一目标的第一步。”