通常，當(dāng)我們處理3D打印的形狀轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)時(shí)，它們會(huì)在響應(yīng)不同的溫度時(shí)移動(dòng)。但是，麻省理工學(xué)院的創(chuàng)新工程師根據(jù)他們以前使用3D打印技術(shù)制作形狀轉(zhuǎn)換材料的經(jīng)驗(yàn)開發(fā)出了3D打印技術(shù)，以創(chuàng)建可用磁鐵操作的柔軟3D打印結(jié)構(gòu)。該研究在創(chuàng)建遙控生物醫(yī)學(xué)設(shè)備方面有應(yīng)用。
“我們認(rèn)為，這種技術(shù)將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域找到有前途的應(yīng)用。例如，我們可以在血管周圍放置一個(gè)結(jié)構(gòu)來控制血液的泵送，或者使用磁鐵來引導(dǎo)裝置通過胃腸道拍攝圖像，提取組織樣本，清除阻塞或?qū)⒛承┧幬镙斔偷教囟ㄎ恢谩Ｄ梢栽O(shè)計(jì)、模擬和打印，以實(shí)現(xiàn)各種功能。”麻省理工學(xué)院機(jī)械工程和土木與環(huán)境工程系Noyce職業(yè)發(fā)展教授Xuanhe Zhao說。
這些結(jié)構(gòu)是使用全新的3D打印墨水制作而成的，這種墨水注入了微小的磁性顆粒。研究人員在3D打印機(jī)噴嘴周圍放置了一個(gè)電磁鐵，當(dāng)墨水通過它時(shí)，這些噴嘴使顆粒擺動(dòng)到一個(gè)方向。因此，通過簡單地使用外部磁場來控制各個(gè)部分的方向，3D打印設(shè)備和結(jié)構(gòu)可以立即轉(zhuǎn)變?yōu)殄e(cuò)綜復(fù)雜的地層，甚至可以四處移動(dòng)。
研究人員3D打印的一些結(jié)構(gòu)包括一個(gè)自我折疊的工作表、一個(gè)自行關(guān)閉的管子、一個(gè)可以起皺的光滑環(huán)，以及一個(gè)可以滾動(dòng)、爬行、跳起，并快速捕捉的抓取器。它甚至可以通過磁性操作在桌子上攜帶一個(gè)小藥丸，只需將其包裹在物體周圍即可。
據(jù)悉，該研究小組在“自然”雜志上發(fā)表了一篇題為“Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials”的論文。該項(xiàng)目由國家科學(xué)基金會(huì)、海軍研究辦公室和麻省理工學(xué)院士兵納米技術(shù)部門資助。共同作者包括麻省理工學(xué)院柔軟活性材料實(shí)驗(yàn)室的Yoonho Kim、Yoonhoo Yuk和Ruike Zhao，新澤西理工學(xué)院的Shawn A. Chester和Zhao。
該論文摘要寫道：“在這里，我們報(bào)告軟材料中的3D編程軟件，通過磁驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜3D形狀之間的快速轉(zhuǎn)換。我們的方法基于含有鐵磁性微粒的彈性體復(fù)合材料的直接墨水書寫。通過在打印時(shí)向分配噴嘴施加磁場，我們沿著施加的磁場重新定向粒子以賦予打印的細(xì)絲以圖案化的磁極性。”
水凝膠裝置隨著溫度或pH值的變化而膨脹，介電彈性體在電壓下拉伸，將空氣或水抽入液壓裝置可驅(qū)動(dòng)它們，形狀記憶聚合物能夠通過光或熱等刺激變形-包括麻省理工學(xué)院的磁激活結(jié)構(gòu)，屬于一般的軟啟動(dòng)裝置類別。但問題仍然比比皆是，介電彈性體需要高電壓，由空氣或水驅(qū)動(dòng)的設(shè)備對于遠(yuǎn)程應(yīng)用而言效率低，并且形狀記憶聚合物和水凝膠可能需要數(shù)小時(shí)才能改變形狀。
Kim說：“對于一個(gè)軟體機(jī)器人來說，沒有理想的選擇，它可以像人體一樣在一個(gè)封閉的空間中執(zhí)行，你可以在這里完成某些不受限制的任務(wù)。這就是為什么我們認(rèn)為這種磁致動(dòng)的理念有很大的希望，因?yàn)樗俣瓤臁⒂辛Γ⑶铱梢赃h(yuǎn)程控制。”
雖然其他人已經(jīng)成功地制造出磁性材料，但他們只能實(shí)現(xiàn)簡單的動(dòng)作。
Yuk說：“人們只會(huì)制造伸長、縮小或彎曲的結(jié)構(gòu)。面臨的挑戰(zhàn)是，你如何設(shè)計(jì)一個(gè)可以執(zhí)行更復(fù)雜任務(wù)的結(jié)構(gòu)或機(jī)器人？”
基于此，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)迎接挑戰(zhàn)，并尋找制造磁疇的方法。而不是創(chuàng)建具有相同磁性粒子的結(jié)構(gòu)，這些單獨(dú)的域或部分各自都有自己的磁性方向。這樣，當(dāng)它們暴露在外部磁場下時(shí)，例如3D打印機(jī)噴嘴上的電磁體，磁疇將根據(jù)其粒子響應(yīng)的磁場方向移動(dòng)，使它們能夠完成更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。
研究人員使用他們新的3D打印平臺來發(fā)展這些領(lǐng)域。在打印過程中，他們改變了噴嘴周圍的電磁鐵的方向，以調(diào)整磁性顆粒的方向。
“這項(xiàng)工作非常新穎。人們可以在人體內(nèi)使用柔軟的機(jī)器人，或者在不容易接近的地方使用柔軟的機(jī)器人，”喬治亞理工學(xué)院的機(jī)械工程教授Jerry Qi說，“他沒有參與這項(xiàng)研究，但具有豐富的4D打印體驗(yàn)。 “通過本文中報(bào)道的這項(xiàng)技術(shù)，人們可以在人體外部施加磁場，而無需使用任何布線。由于其響應(yīng)速度快，軟機(jī)器人可以在短時(shí)間內(nèi)完成許多動(dòng)作。這些對于實(shí)際應(yīng)用非常重要。”
此外，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)物理模型，可以通過使用結(jié)構(gòu)域的圖案，材料的彈性以及施加外部磁場的方向來預(yù)測磁場下3D打印結(jié)構(gòu)如何變形或移動(dòng)。Ruike發(fā)現(xiàn)模型的預(yù)測與團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)緊密相關(guān)。
“我們已經(jīng)開發(fā)出了一個(gè)供其他人使用的打印平臺和預(yù)測模型。人們可以設(shè)計(jì)自己的結(jié)構(gòu)和領(lǐng)域模式，用模型驗(yàn)證它們，并打印它們以啟動(dòng)各種功能。通過對結(jié)構(gòu)、領(lǐng)域和磁場的復(fù)雜信息進(jìn)行編程，人們甚至可以打印機(jī)器人等智能機(jī)器。”Zhao先生說。
除了前面提到的結(jié)構(gòu)之外，該團(tuán)隊(duì)還可以沿著兩個(gè)方向迅速擴(kuò)展或收縮3D打印拉脹結(jié)構(gòu)，以及嵌入電路和紅色和綠色LED燈的環(huán)。根據(jù)其磁性方向，環(huán)可以變形為點(diǎn)亮綠色或紅色的結(jié)構(gòu)。
