火星機器人90%零件竟是桌面級3D打印造？！加州理工深度分享三個月即迭代的研發內幕

導語

桌面級3D打印設備的使用范疇已遠超家用和農場主的想象，加州理工學院的研究團隊已經用桌面級設備造出了未來能在火星上工作的機器人。
這是正在發生的現實。

本文內容來源于加州理工學院CAST實驗室首席研發和創新官Reza Nemovi的深度分享訪談，他同時也是火星直升機項目的核心成員和M4變形機器人的機械工程負責人。

視頻有點長，建議讀者以閱讀文章為主：

通過他的第一手經驗分享，我們看到了桌面級3D打印如何在最前沿的航空航天研究中發揮關鍵作用。

讀本文之前，請先簡要了解如下機構：

關鍵機構背景

CAST實驗室，全稱自主系統與技術中心，是加州理工學院的一個多學科研究實驗室。這里匯聚了航空航天、地質學、生物學、機器學習和機械工程等各個領域的專家，共同致力于推進自主系統技術的發展。

實驗室的獨特之處在于其跨學科協作模式，不同專業背景的研究人員在這里碰撞出創新火花。

JPL噴氣推進實驗室是NASA管理的聯邦研究機構，同時也是加州理工學院的一個部門。作為美國深空探測的核心力量，JPL負責設計、建造和運營許多無人太空任務，包括火星漫游者、火星直升機等標志性項目。

JPL與CAST實驗室的緊密合作，為桌面級3D打印技術在太空應用領域的驗證提供了嚴格的標準和實際的應用場景。

Vision Miner是一家專注于高性能3D打印解決方案的公司，特別擅長高溫材料的桌面級打印技術。

本文提到的3D打印設備22IDEX設備不做深入探討，但從視頻中，可以看到非常靈活移動的基板。

根據加州理工的說法，他們從第一天開始就為CAST團隊提供了全方位的技術指導，特別是在碳纖維PEEK工藝調試方面發揮了關鍵作用。

從概念到火星，一個實驗室的華麗轉身

走進加州理工的CAST實驗室，你會發現這里并不像傳統航空航天實驗室那樣充滿昂貴的大型設備。

相反，十幾臺桌面3D打印機靜靜地工作著，它正在制造的零件可能幾個月后就會出現在火星表面。

這位首席研發官回憶起增材制造技術引入之前的日子，那簡直就是研發人員的噩夢時代。

從概念設計到CAD建模，再到最終制造，整個流程不僅成本高昂，而且一旦零件不合格，就必須回到起點重新開始。

用他的話說，那時候的制造方法簡直是殘酷的。現在情況徹底不同了。

他們能夠在傳統方法僅僅20%的時間內將想法變成成熟的原型。這種速度上的飛躍不僅僅是效率的提升，更是整個研究方式的根本性改變。

90%火星機器人竟然都是打印出來的

最讓人意外的案例是他們的M4變形機器人。

這個能夠在地面行駛又能變形飛行的家伙，90%的結構都來自那臺看起來平平無奇的22 IDEX打印機。

每個關節、每個輪子、底盤、電子設備外殼，甚至承載推進器的結構件，統統通過3D打印搞定。

M4機器人需要承受10公斤的推力，在130度的沙漠高溫下照常工作，還要具備足夠的強度支撐整個機器人的重量。

更厲害的是，這個機器人把驅動馬達和產生升力的推進器巧妙地整合在一個輪子里，必須做到既輕又強。

傳統的PLA和ABS材料在這種極端條件下會變形甚至融化，但碳纖維PEEK材料的出現徹底解決了這個痛點。

這位負責人特別強調，這些材料在70度時表現還不錯，但當機器人跑到沙漠里工作，溫度飆升到130度時，普通塑料就開始融化變形，特別是需要承重的輪子部分。

大體積打印，小設備的大能耐

很多人可能想不明白為什么需要尺寸較大的桌面3D打印機。

其實道理很簡單，像碳纖維PEEK這樣的高級材料確實誘人，但市面上大部分機器根本搞不定大型零件的制造。

22 IDEX的大體積打印能力讓團隊能夠玩出單體結構設計，所有組件都在一個整體里完成裝配。

他們的目標很明確：

打印出盡可能少螺絲和裝配環節的整體結構。

這樣做不僅提高了可靠性，也減少了在極端環境下可能出現的故障點。

從飛行救護車到火星探索的腦洞實現

CAST團隊還有個相當科幻的項目—自主飛行救護車。

他們造了一個五分之一比例的模型，配備升降推進器和可折疊翅膀。

這個設計的核心思路是展示如何鉆進狹窄空間，比如高速公路上的單車道，在重大交通事故發生時快速響應救援。

通過3D打印他們真的把這個概念變成了現實。

這種能夠在緊急情況下快速部署的救援設備，展示了桌面級3D打印在解決現實問題方面的巨大潛力。

從某種程度上說，這些項目都在為一個終極目標做準備：讓機器人能夠為人類火星探索者提前做好準備工作。

材料選擇，從業余到專業的進化之路

在材料選擇這件事上，CAST團隊走過了一條典型的進化路徑。

最開始他們也像普通玩家一樣用PLA和ABS，這些材料在家里折騰原型還可以，但一進入科研領域就明顯不夠看了。

科研項目的要求完全不同，你不能只是打印個零件就說這是某種材料。每個零件都必須經過嚴格的科學驗證，必須能夠量化其材料特性，這樣同行和JPL（噴氣推進實驗室）才會買賬。

用這位負責人的話說，必須在科學層面上是可量化的。

碳纖維PEEK的引入算是個分水嶺。

這種材料不僅機械強度出色，更關鍵的是它能在極端溫度下保持穩定性能。

以前那些材料太脆弱，扛不住高溫，而PEEK徹底解決了這個核心問題。

其他CAST選用的材料包括下面展示的四種，本文暫不做過多探討：

太空級應用，不是說著玩的

可能有人會質疑，桌面機器造出來的零件真能扛得住太空環境？

答案很明確，根據視頻說法：CAST團隊制造的3D打印零件現在就在國際空間站上正常工作著。

這些零件經歷了各種變態測試：真空環境、極端溫度循環、機械載荷測試，還有實際的飛行驗證。

每個零件都必須證明自己能在最惡劣環境中可靠運行。

火星直升機項目就是最好的證明。

這個JPL和加州理工的合作項目在實驗室里搭建了專門的風力發生器，能夠模擬火星大氣條件。

經過充分地面測試后，火星直升機成功部署到火星，完成了約70次飛行任務，成為真正改變游戲規則的存在。

前面提到的M4機器人更厲害，既是漫游者也是飛行器，代表著下一代火星探索技術的發展方向。

時間就是生命的科研節奏

現代科研環境中，速度往往決定成敗。

自從實驗室配備了高性能3D打印設備后，加州理工領導層看到了他們的潛力，開始分配更緊迫的任務，要求在更短時間內達到研究里程碑。

過去需要一到兩年的項目，現在必須三個月交付。

這種壓力雖然巨大，但也逼出了團隊的創新潛能。過去兩年里，這位負責人參加了五個重大活動，每次都要在三個月內從零開始搞出全新設備。

他很坦誠地說，如果沒有3D技術，這樣的成就根本不可能實現。

最近他們參加了阿布扎比機器人展和佛羅里達火星會議，每次都是因為3D打印機器人的獨特性能而受到特別邀請。

多學科融合的創新生態

前面提到CAST實驗室最牛的地方在于它的多學科屬性。航空航天、地質學、生物學、機器學習、機械工程等各路專家在這里協同作戰。

這種跨領域合作讓3D打印技術發揮出了更大價值。

地質學家提出特定取樣需求時，機械工程師可以快速設計并打印出相應工具。生物學家需要特殊培養容器時，材料科學家可以馬上選擇合適的打印材料。

整個過程中，3D打印機成了想法和現實之間的橋梁，讓不同領域的專家能夠快速驗證和完善概念。

這種快速原型能力讓科學家們為自己的工作獲得更多認可，因為他們能夠快速讓想法成熟起來。

AM易道認為：桌面級設備正在重新定義制造邊界

從加州理工CAST實驗室的實踐來看，我們正在見證一個重要的轉折點。

過去被認為只適合做原型和玩具的桌面級3D打印設備，現在已經能夠制造出航空航天級別的功能零件。

這種變化的核心不僅是設備本身的進步，更重要的是材料科學的突破。

碳纖維PEEK、ULTEM等高性能材料的普及，讓桌面級設備擁有了過去只有工業級設備才具備的制造能力。

當我們仰望星空思考人類未來時，很難想象這些宏偉目標的實現可能就依賴于十幾臺安靜工作在實驗室角落的桌面級3D打印機。

CAST團隊的經驗告訴我們，技術的邊界往往不在于設備的大小，而在于使用者的想象力和材料的可能性。

正如這位創新官所說，3D技術已經成為主要制造方法，而且只會變得更好。

這是個學習曲線，不會一夜之間發生，但只要給它時間，從別人的成功中學習，不輕易放棄，就一定能成功。

從家庭愛好到火星探索，從概念驗證到太空應用，桌面級3D打印正在證明自己的無限潛力。

或許下一次當你看到火星傳回的圖像時，可以想象一下：

那個正在工作的機器人，很可能大部分零件都來自一臺你也買得起的3D打印機。

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