【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，機電工程學(xué)院謝暉教授團隊研發(fā)出一種可精準(zhǔn)控制打印結(jié)構(gòu)磁化分布的光固化3D打印技術(shù)。相關(guān)研究成果以《磁矩空間可編程光固化打印技術(shù)制備仿生薄壁軟體機器》(Programmable spatial magnetization stereolithographic printing of biomimetic soft machines with thin-walled structures)為題發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)上，為精準(zhǔn)制造磁性薄壁軟體機器人提供了新途徑。
軟體機器人憑借其柔性、適應(yīng)性和生物相容性，在生物醫(yī)療領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。通過外部磁場控制材料中磁性顆粒的排列方向，可實現(xiàn)對磁性軟體機器人變形行為的精準(zhǔn)調(diào)控。然而，復(fù)雜三維薄壁結(jié)構(gòu)的制造仍是一大技術(shù)瓶頸?，F(xiàn)有的磁場輔助直寫打印和數(shù)字光處理技術(shù)易受重力和磁力干擾導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，難以突破平面或簡單垂直壁結(jié)構(gòu)的限制。這一挑戰(zhàn)在制造具有大變形能力的三維薄壁結(jié)構(gòu)時尤為突出。
針對上述問題，團隊創(chuàng)新性地將海爾貝克陣列與電磁線圈相結(jié)合，設(shè)計出一款低功耗磁場發(fā)生器，可在光固化平面內(nèi)產(chǎn)生高強度、三維均勻可控的磁場。該系統(tǒng)在直徑40毫米的工作空間內(nèi)實現(xiàn)了80毫特斯拉的磁場強度，均勻度誤差控制在5%以內(nèi)，角度誤差小于1.5°，打印面積較同類技術(shù)提升一個數(shù)量級。通過磁場發(fā)生器精準(zhǔn)控制光固化結(jié)構(gòu)中硬磁顆粒的磁矩方向，實現(xiàn)了復(fù)雜磁性薄壁結(jié)構(gòu)的制造。團隊還通過優(yōu)化含硬磁顆粒的光固化樹脂配方并改進支撐添加策略，顯著提升了工藝穩(wěn)定性。該技術(shù)可制造最小壁厚200微米、空心率達0.92的精細結(jié)構(gòu)，并支持多單元并行制造。
基于該技術(shù)，研究團隊成功開發(fā)出多種功能型軟體機器人原型，包括具有仿生特性的磁控單向閥、蠕動功能輸運機器人、仿心室軟體機器人和膠囊軟體機器人，展現(xiàn)了在模擬復(fù)雜生物行為和功能方面的應(yīng)用潛力。該技術(shù)不僅突破了磁性軟體機器人復(fù)雜中空薄壁結(jié)構(gòu)的制造瓶頸，也為其在仿生和藥物遞送等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新途徑。
機器人技術(shù)與系統(tǒng)全國重點實驗室為論文唯一單位。謝暉教授為論文通訊作者。機電工程學(xué)院青年教師孟祥和、博士研究生李詩詩為論文共同第一作者。機電工程學(xué)院博士研究生沈行健、田陳堯、毛立陽為論文共同作者。生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)學(xué)部胡穎教授、王星文副研究員為相關(guān)研究工作提供大力支持。
該項研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
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