通常，當我們處理3D打印的形狀轉換結構時，它們會在響應不同的溫度時移動。但是，麻省理工學院的創(chuàng)新工程師根據(jù)他們以前使用3D打印技術制作形狀轉換材料的經(jīng)驗開發(fā)出了3D打印技術，以創(chuàng)建可用磁鐵操作的柔軟3D打印結構。該研究在創(chuàng)建遙控生物醫(yī)學設備方面有應用。
“我們認為，這種技術將在生物醫(yī)學領域找到有前途的應用。例如，我們可以在血管周圍放置一個結構來控制血液的泵送，或者使用磁鐵來引導裝置通過胃腸道拍攝圖像，提取組織樣本，清除阻塞或將某些藥物輸送到特定位置。您可以設計、模擬和打印，以實現(xiàn)各種功能。”麻省理工學院機械工程和土木與環(huán)境工程系Noyce職業(yè)發(fā)展教授Xuanhe Zhao說。
這些結構是使用全新的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打印機噴嘴周圍放置了一個電磁鐵，當墨水通過它時，這些噴嘴使顆粒擺動到一個方向。因此，通過簡單地使用外部磁場來控制各個部分的方向，3D打印設備和結構可以立即轉變?yōu)殄e綜復雜的地層，甚至可以四處移動。
研究人員3D打印的一些結構包括一個自我折疊的工作表、一個自行關閉的管子、一個可以起皺的光滑環(huán)，以及一個可以滾動、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。該項目由國家科學基金會、海軍研究辦公室和麻省理工學院士兵納米技術部門資助。共同作者包括麻省理工學院柔軟活性材料實驗室的Yoonho Kim、Yoonhoo Yuk和Ruike Zhao，新澤西理工學院的Shawn A. Chester和Zhao。
該論文摘要寫道：“在這里，我們報告軟材料中的3D編程軟件，通過磁驅動實現(xiàn)復雜3D形狀之間的快速轉換。我們的方法基于含有鐵磁性微粒的彈性體復合材料的直接墨水書寫。通過在打印時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動它們，形狀記憶聚合物能夠通過光或熱等刺激變形-包括麻省理工學院的磁激活結構，屬于一般的軟啟動裝置類別。但問題仍然比比皆是，介電彈性體需要高電壓，由空氣或水驅動的設備對于遠程應用而言效率低，并且形狀記憶聚合物和水凝膠可能需要數(shù)小時才能改變形狀。
Kim說：“對于一個軟體機器人來說，沒有理想的選擇，它可以像人體一樣在一個封閉的空間中執(zhí)行，你可以在這里完成某些不受限制的任務。這就是為什么我們認為這種磁致動的理念有很大的希望，因為它速度快、有力，并且可以遠程控制。”
雖然其他人已經(jīng)成功地制造出磁性材料，但他們只能實現(xiàn)簡單的動作。
Yuk說：“人們只會制造伸長、縮小或彎曲的結構。面臨的挑戰(zhàn)是，你如何設計一個可以執(zhí)行更復雜任務的結構或機器人？”
基于此，麻省理工學院團隊迎接挑戰(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構，這些單獨的域或部分各自都有自己的磁性方向。這樣，當它們暴露在外部磁場下時，例如3D打印機噴嘴上的電磁體，磁疇將根據(jù)其粒子響應的磁場方向移動，使它們能夠完成更復雜的運動。
研究人員使用他們新的3D打印平臺來發(fā)展這些領域。在打印過程中，他們改變了噴嘴周圍的電磁鐵的方向，以調整磁性顆粒的方向。
“這項工作非常新穎。人們可以在人體內使用柔軟的機器人，或者在不容易接近的地方使用柔軟的機器人，”喬治亞理工學院的機械工程教授Jerry Qi說，“他沒有參與這項研究，但具有豐富的4D打印體驗。 “通過本文中報道的這項技術，人們可以在人體外部施加磁場，而無需使用任何布線。由于其響應速度快，軟機器人可以在短時間內完成許多動作。這些對于實際應用非常重要。”
此外，該團隊開發(fā)了一個物理模型，可以通過使用結構域的圖案，材料的彈性以及施加外部磁場的方向來預測磁場下3D打印結構如何變形或移動。Ruike發(fā)現(xiàn)模型的預測與團隊的實驗緊密相關。
“我們已經(jīng)開發(fā)出了一個供其他人使用的打印平臺和預測模型。人們可以設計自己的結構和領域模式，用模型驗證它們，并打印它們以啟動各種功能。通過對結構、領域和磁場的復雜信息進行編程，人們甚至可以打印機器人等智能機器。”Zhao先生說。
除了前面提到的結構之外，該團隊還可以沿著兩個方向迅速擴展或收縮3D打印拉脹結構，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)可以變形為點亮綠色或紅色的結構。
