无电子软机器人成为可能！科学家开发出3D打印气动逻辑模块

瞻观前沿

未来，软机器人将能够执行传统机器人无法完成的任务。这些软机器人可用于难以进入的地形以及暴露于化学物质或辐射的环境中，这些化学物质或辐射会损害由金属制成的电子控制机器人。这要求这种软机器人无需任何电子设备即可控制，这仍然是开发中的一个挑战。

弗莱堡大学的一个研究团队现已开发出 3D打印的气动逻辑模块，仅使用气压即可控制软机器人的运动。这些模块可以实现气流的逻辑切换，从而可以模拟电气控制。这些模块首次使得完全在使用传统长丝打印材料的3D打印机中生产灵活且无电子的软机器人成为可能。该团队由 Stefan Conrad 博士、Falk Tauber 博士、Joscha Teichmann 和 Thomas Speck 教授领导的团队已在《Science Robotics》上发表了这一成果。

Conrad 表示，我们的设计使任何具有3D打印经验的人都可以生产此类逻辑模块，并使用它们来控制软机器人，而无需高端打印设备。这标志着朝着完全无电子气动控制电路迈出的重要一步，可以取代未来软机器人中日益复杂的电气元件。根据所选材料的不同，模块可以在80至750千帕以上的压力下运行。与其他气动系统相比，它们的响应时间约为100毫秒。

Tauber表示，这些模块的潜在应用是巨大的。我们开发了一种灵活的3D打印机器人步行器，由集成电路使用气压控制。逻辑模块的灵活性体现在该步行器甚至可以承受负载一辆汽车驶过它，作为更复杂控制系统的一个例子，我们还开发了一种无电子饮料分配器。

图片来源：摄图网

技术价值观察

3D打印产业链的上游为原材料及基础配件，原材料分为金属专用材料及非金属专用材料两大类，是基础配件及3D打印耗材的原材料。中游为3D打印耗材(金属粉末、光敏树脂、工程塑料、陶瓷材料、生物材料等)及3D打印设备的研发制造;下游为3D打印服务及应用，3D打印主要应用场景于航空航天、模具铸造、生物医疗、汽车、军工等领域。

科学家开发出3D打印的气动逻辑模块，而且根据所选材料不同调节压力，使得无电子软机器人成为可能。因此，从3D打印产业链上看，该技术处于产业链的中游环节，对打印耗材产生较大影响。

 宏观市场洞察

——发展历程：3D打印最早可追溯至1976年

3D打印技术最早可以追溯到1976年喷墨打印机的发明。20世纪80年代以后，3D打印行业受到国内外的广泛关注，各种3D打印技术也在多个行业应用并发展。目前已覆盖了制造、医疗、教育、航空航天、军事等多个领域。全球3D数字化和3D打印技术仍处于成长期初期。

——供给：2020年全球工业3D打印系统制造商数量达到228家

2020年，全球工业3D打印系统制造商的数量达到了228家，较2019年新增了15家企业，而根据数据显示，2020年共有37家3D打印系统制造商销售了超过100台3D打印的相关机器。228个系统制造商分布在世界各地，对比Wohlers报告2020和2021版，美国制造商数量保持47家不变，排名第一;德国增加2家到27家，排名第二;中国制造商的数量则减少7家下降至25家，排名第三。

——需求：2020年全球3D打印产业规模接近130亿美元

2020年全球爆发新冠疫情，各国医疗防护设备紧缺，此时3D打印扮演了救场的角色。美国、英国等国家的创意团队、网红、大学机构均利用3D打印机制作出口罩、医用面罩、护目镜等防疫设备，缓解了各地医疗防护用品短缺的情况;另外，疫情对全球的供应链造成严重冲击，3月中下旬开始，北美、欧洲各类工厂陆续停产，工业零部件供应受到巨大冲击。除供应链外，层层流通的销售与物流渠道同时受到较大影响，使得不少产品的零部件出现了断供。以快速、小批量、无模具、弹性制造为特征的3D打印绕过这些供应链断点，开辟了一条解决供应难题的新路径;国内最大的B2C跨境电商平台全球速卖通上的数据显示，疫情期间国产3D打印机销售火爆，疫情以来该平台上3D打印机的销售额和2019年比已经翻番。

Wohlers Associates是权威的全球3D产业研究机构，通过总结全球261家服务提供商、系统制造商和材料生产商的数据，《Wohlers Report 2021》指出，2020年全球3D打印市场规模达到127.58亿美元，相比2019年增长7.5%，低于此前21.2%的增长率。全球范围内众多公司受到疫情影响，裁员、削减支出更是普遍，其中以业内最大的两家公司Stratasys和 3D Systems最为典型。2020年，两家公司在整个行业所占比重为8.5%，而2019和2018年分别是10.7%和13.8%，呈现逐年下降的趋势，这也意味着，业内其他设备制造商正在崛起。

——技术应用格局：熔融沉积建模(FDM)是3D打印最常用的技术

根据法国知名3D打印公司Sculpteo2021年4月的统计数据，2021年，全球最常用的3D打印技术是熔融沉积建模(FDM)，100%的受访企业正在使用该技术。选择性激光烧结(SLS)是2021年第二大最常用的技术，80%的受访者已经采用这种技术。

——全国3D打印产业发展规模

近年来，我国3D打印市场应用程度不断深化，在航空航天汽车、船舶、核工业、模具等领域均得到了越来越广泛的应用，3D打印技术已经成为航空航天等领域直接制造机修复再制造的重要技术手段，在汽车、船舶、核工业、模具等领域成为产品设计、快速原型制造的重要实现方式。

得益于3D打印产品逐步规模化应用和部分积压的3D打印设备需求释放的带动，我国3D打印产业规模逐年增加，增加速度要略快于全球整体增速，促使我国3D产业占全球的比重在不断增加。2021年中国3D打印市场规模达到261.5亿元，同比增长34.1%。

随着3D打印产品在已有场景中应用规模进一步扩张，以及新场景、新应用的不断开拓，赛迪预计未来三年中国3D打印产业规模将持续高速增长，但规模增速将有所回落，三年复合增长率为24.1%，到2024年，中国3D打印市场规模达500亿元左右。

——中国3D打印行业投资规模波动变化

根据IT桔子数据库，整体来看，我国3D打印行业投融资数量呈现波动变化的走势，2017年达到最高值56起，此后，投资数量波动下降，2021年达到43起。

从投融资规模来看，3D打印行业投资金额自2014年起波动增长，2019年达到历史峰值67.2亿元，随后2020年受全球疫情影响下降至24.4亿元，2021年大幅回升至58.2亿元。

中国3D打印技术赛道热力图

根据产业热力图显示，与3D打印关键技术强关联的城市集群主要集中在华南和华中地区，并且以广东、湖南省为重点发展区域，未来布局3D打印技术及其他效果技术的发展路径，极大可能性在于华南、华中地区优先导入，其中可重点关注广东省广州市天河区、广东省深圳市龙华区、湖南省长沙市开福区所处3D打印的相关企业，以及该地方对于3D打印的产业发展投资环境、供给市场的潜力空间。

经济学人APP资讯组

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