3D打印新应用：软透镜让传感器分清转弯方向

AM易道分享

一根柔软的机器人手指弯了，怎样知道它往哪边弯？

传统来说传感器只能告诉系统光的强度变化了，但关于转弯的方向信息仍然缺乏。

未来解决这个需求，研究人员在一件Y形软结构里3D打印了一枚透镜。

结构转动时，透镜带着焦点偏向一侧，两条分支收到的光随之改变。

比较两路信号，就能判断运动方向和幅度。

这是个3D打印行业不常见的应用。

这件名为SOLen的传感器，把3D打印用到了软体机器人的感知结构设计上。

透镜与导光结构由同一种树脂打印成形，光源、接收器和电路则在打印后装配。

它验证了一种方向敏感的光学传感原理。

AM易道本文试图简单说清楚原理和应用。

用光感知形变 它怎样分清向哪边弯？ 光源 接收器一 接收器二 软透镜 一条分支收到更多光 结构转动后，信号如何出现？ 轻点揭晓 光源 接收器一 接收器二 光更多 软透镜 透镜朝向改变，焦点移向一侧。 比较两路光信号，就能辨别方向。

轻点卡片揭晓。下文也会完整解释原理。

光往哪走

两条分支，怎样分清方向？

先把Y形结构想成一条分叉的透明通道。

光源在主干的一端，两个接收器各守一条分支。

这里的导光结构也叫波导，它让光在透明材料里传播；

接收器再把收到的光转成电信号。

如果光在里面四处散开，分支就很难分工。

外界光线、表面粗糙度和微小气泡，也可能干扰读数。

已有研究通过涂层或包覆材料限制光路，但这些做法通常增加材料界面和制造步骤。

SOLen在光源前方加入透镜，把光聚到两条分支之间。

未转动时，两边分到的光大致平衡；

透镜随结构转动后，焦点移向一条分支，那边收到更多光，另一边收到更少光。

方向由两路信号的相对变化而体现出来。

图1｜中间是打印后的Y形传感器，右上是透镜的显微照片。下方示意透镜转动后，焦点如何偏向一条分支。

图源：Cafiso等，Materials & Design，2026。

先看材料

透明、柔软，还得能够稳定3D打印

普通硬透镜可以聚光，却未必适合随软结构一起变形。

团队在丙烯酸酯聚氨酯树脂中加入质量分数25%的丙烯酸月桂酯，得到适合此次实验的改性配方。

压缩模量从0.65MPa降到0.34MPa，说明材料在压缩时更容易变形。

接下来要确认光能否穿的过去。

论文测到，改性树脂的单层试样在450至900nm波段的透过率超过85%。

这个数字只描述所测单层试样，不能直接当作整件多层打印传感器的透光效率。

图2｜左边看透过率，右边看折射率随波长的变化。这里测的是单层试样，目的是尽量减少打印层界面对材料光学参数的干扰。

图源：Cafiso等，Materials & Design，2026。

透光还不够，透镜要把光送到指定位置，就得知道材料会让光偏折多少。

这个性质用折射率描述，而且会随光的波长变化。

因此，换光源或换树脂后，透镜轮廓可能也要重算。

轮廓从哪来

3D打印把光路设计变成实体

团队先测材料，再计算透镜。

设计中，光源与透镜相距1mm，目标焦点位于透镜后方20mm的材料内部。

研究人员用笛卡尔卵形曲线确定透镜轮廓，这条曲线用于把来自光源的光折射到目标位置。

从材料参数到感知结构 测量 计算 打印 装配 装配光源与接收器 电子元件在打印后装配 保留光源前方的空气间隙。 接上电路，再验证两路响应。 流程已看完 从材料参数到感知结构 测量 计算 打印 装配 透镜和导光结构一起打印 逐层光固化 DLP打印，层厚25μm。 检查实体曲面与设计的偏差。 轻点下一步 从材料参数到感知结构 测量 计算 打印 装配 按光源计算透镜轮廓 光源 目标焦点 非等比例示意 光源距透镜1mm。 目标焦点位于材料内部20mm处。 轻点下一步 从材料参数到感知结构 测量 计算 打印 装配 先测材料的光学性质 单层试样 测量透过率，再求折射率。 单层试样减少层界面的干扰。 轻点下一步

连续轻点，查看从材料测量到打印装配的四个环节。

他们选取860nm、500nm和450nm三个波长，对应的折射率分别为1.44、1.49和1.54，据此模拟并3D打印了三种轮廓。

显微照片与设计曲线的对照显示，三种表面形状能够区分，也存在实际3D打印与设计之间的小幅偏差。

图3｜左上比较三种透镜轮廓，右侧将显微照片与设计曲线叠放。下方两幅光路模拟显示，向相反方向转动会把光引向不同分支。

图源：Cafiso等，Materials & Design，2026。

样品采用DLP光固化3D打印，逐层投影紫外图案使树脂固化，层厚为25μm。

这个层厚描述竖直方向的分层，不能直接等同于透镜所有方向的尺寸精度。

真正需要核对的是3D打印后曲面能否接近设计轮廓，以及最终光学响应是否成立。

一体3D打印也有装配问题需要考虑。

光源与透镜之间需要保留空气间隙，作者没有用树脂填满光源前方；

接收器、导线和定制电路仍需安装。

3D打印整合了柔软的光学主体，完整传感系统还包含这些后装部件。

看实验

加上透镜，信号改变了多少

验证实验使用860nm红外光源。

旋转台让光源与透镜组件向两侧各转动3°，同时记录两路接收器的响应。三个传感器样品出现了随方向切换的信号分离，无透镜对照的变化则很小。

图4｜上方是旋转测试与两侧转动状态，下方比较有透镜和无透镜的电压响应。该电路中，收到更多光的一路反而输出更低电压，读图时不能把电压升高等同于光变强。

图源：Cafiso等，Materials & Design，2026。

灵敏度可以理解为每转动1°，输出电压改变多少。

表1给出的平均值，有透镜时为223±52mV／°，无透镜时为3.3±1.4mV／°，提升约67倍。

同一旋转测试的对照 带透镜 223 mV／° 平均角度灵敏度 223±52mV／°，约为对照的67倍。 角度分辨率估算为0.007°。 实验范围±3°，数据见表1。 分辨率不等于绝对测量误差。 对照已看完 同一旋转测试的对照 无透镜 3.3 mV／° 平均角度灵敏度 3.3±1.4mV／°。 角度分辨率估算为0.3°。 实验范围±3°，数据见表1。 分辨率不等于绝对测量误差。 轻点查看带透镜的结果

轻点切换对照。数字来自原论文表1。

这些结果来自±3°的实验范围和有限样品。

作者提到补充材料包含100次循环结果，但用户提供的正文没有完整展示这些数据，不能据此推断长期疲劳寿命。

应用往哪走

晶格的杆件，也可能承担感知

对于3D打印，最值得继续验证的应用藏在论文最后一张图里。

一件柔软晶格的部分杆件，既是支撑结构，也充当光的通道。

透镜把光引向选定路径，结构不同位置的形变，就可能通过分布在其中的光路被读出。

图5｜右上放大图展示晶格杆件内的导光路径。整张图是作者提出的一体式软机器人概念示意，论文没有展示这件晶格机器人的完整制造与感知验证。

图源：Cafiso等，Materials & Design，2026。

这为柔软夹爪、连续弯曲的机械臂或需要感知形变的晶格结构提供了设计思路。

这些我们是依据论文原理推演的潜在应用方向。

AM易道的判断是，这项研究值得增材制造从业者关注，因为传感功能可以提前融入结构设计。

设计者在安排哪些部位变形、哪些杆件承载时，也可以计算光在其中怎样传播，再用同一套3D打印过程形成这些几何特征。

不过工程上的难题会随结构增加而增加。

更长的光路会损失多少信号，不同感知路径是否串扰，反复弯曲后曲面和标定是否稳定，都需要后续证据。更换透明树脂时，也仍要重测光学参数并重新验证打印条件。

回到那根向左或向右弯曲的软手指，SOLen提供了一条值得尝试的新应用路径。

把能随形变改变光路的透镜，直接设计进3D打印结构。

它在小角度实验里已经分开了两侧信号，要想判断能否用在机器人上，下一步得看复杂形变中的光路是否仍然可读。

图6｜论文首页

AM易道判断 感知功能进入结构设计 透镜与导光结构能一起打印。 晶格内分布式感知仍待验证。

TCT深圳展邀请

10月14日，深圳见。很多新东西值得现场聊。

TCT深圳，AM易道等您来碰面。

预约如下：

航空航天增材制造大会邀请

10月22日，上海见。航空航天，依然是增材制造最值得深挖的主战场之一。

第六届航空航天增材制造大会，AM易道期待与您交流。

预约如下：

首届国际增材制造技术与应用生态展览会邀请

11月26—28日，四川泸州见。首届国际增材制造技术与应用生态展览会，从技术到应用，从设备材料到产业协同。

AM易道邀请您来现场，看增材制造如何长出全新生态。

详情如下：