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MIT创建可用磁铁操作的柔软3D打印结构

导读: 麻省理工学院的创新工程师根据他们以前使用3D打印技术制作形状转换材料的经验开发出了3D打印技术,以创建可用磁铁操作的柔软3D打印结构。该研究在创建遥控生物医学设备方面有应用。

通常,当我们处理3D打印的形状转换结构时,它们会在响应不同的温度时移动。但是,麻省理工学院的创新工程师根据他们以前使用3D打印技术制作形状转换材料的经验开发出了3D打印技术,以创建可用磁铁操作的柔软3D打印结构。该研究在创建遥控生物医学设备方面有应用。

MIT创建可用磁铁操作的柔软3D打印结构

“我们认为,这种技术将在生物医学领域找到有前途的应用。例如,我们可以在血管周围放置一个结构来控制血液的泵送,或者使用磁铁来引导装置通过胃肠道拍摄图像,提取组织样本,清除阻塞或将某些药物输送到特定位置。您可以设计、模拟和打印,以实现各种功能。”麻省理工学院机械工程和土木与环境工程系Noyce职业发展教授Xuanhe Zhao说。

这些结构是使用全新的3D打印墨水制作而成的,这种墨水注入了微小的磁性颗粒。研究人员在3D打印机喷嘴周围放置了一个电磁铁,当墨水通过它时,这些喷嘴使颗粒摆动到一个方向。因此,通过简单地使用外部磁场来控制各个部分的方向,3D打印设备和结构可以立即转变为错综复杂的地层,甚至可以四处移动。

MIT创建可用磁铁操作的柔软3D打印结构

研究人员3D打印的一些结构包括一个自我折叠的工作表、一个自行关闭的管子、一个可以起皱的光滑环,以及一个可以滚动、爬行、跳起,并快速捕捉的抓取器。它甚至可以通过磁性操作在桌子上携带一个小药丸,只需将其包裹在物体周围即可。

据悉,该研究小组在“自然”杂志上发表了一篇题为“Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials”的论文。该项目由国家科学基金会、海军研究办公室和麻省理工学院士兵纳米技术部门资助。共同作者包括麻省理工学院柔软活性材料实验室的Yoonho Kim、Yoonhoo Yuk和Ruike Zhao,新泽西理工学院的Shawn A. Chester和Zhao。

该论文摘要写道:“在这里,我们报告软材料中的3D编程软件,通过磁驱动实现复杂3D形状之间的快速转换。我们的方法基于含有铁磁性微粒的弹性体复合材料的直接墨水书写。通过在打印时向分配喷嘴施加磁场,我们沿着施加的磁场重新定向粒子以赋予打印的细丝以图案化的磁极性。”

水凝胶装置随着温度或pH值的变化而膨胀,介电弹性体在电压下拉伸,将空气或水抽入液压装置可驱动它们,形状记忆聚合物能够通过光或热等刺激变形-包括麻省理工学院的磁激活结构,属于一般的软启动装置类别。但问题仍然比比皆是,介电弹性体需要高电压,由空气或水驱动的设备对于远程应用而言效率低,并且形状记忆聚合物和水凝胶可能需要数小时才能改变形状。

Kim说:“对于一个软体机器人来说,没有理想的选择,它可以像人体一样在一个封闭的空间中执行,你可以在这里完成某些不受限制的任务。这就是为什么我们认为这种磁致动的理念有很大的希望,因为它速度快、有力,并且可以远程控制。”

虽然其他人已经成功地制造出磁性材料,但他们只能实现简单的动作。

MIT创建可用磁铁操作的柔软3D打印结构

Yuk说:“人们只会制造伸长、缩小或弯曲的结构。面临的挑战是,你如何设计一个可以执行更复杂任务的结构或机器人?”

基于此,麻省理工学院团队迎接挑战,并寻找制造磁畴的方法。而不是创建具有相同磁性粒子的结构,这些单独的域或部分各自都有自己的磁性方向。这样,当它们暴露在外部磁场下时,例如3D打印机喷嘴上的电磁体,磁畴将根据其粒子响应的磁场方向移动,使它们能够完成更复杂的运动。

研究人员使用他们新的3D打印平台来发展这些领域。在打印过程中,他们改变了喷嘴周围的电磁铁的方向,以调整磁性颗粒的方向。

MIT创建可用磁铁操作的柔软3D打印结构

“这项工作非常新颖。人们可以在人体内使用柔软的机器人,或者在不容易接近的地方使用柔软的机器人,”乔治亚理工学院的机械工程教授Jerry Qi说,“他没有参与这项研究,但具有丰富的4D打印体验。 “通过本文中报道的这项技术,人们可以在人体外部施加磁场,而无需使用任何布线。由于其响应速度快,软机器人可以在短时间内完成许多动作。这些对于实际应用非常重要。”

此外,该团队开发了一个物理模型,可以通过使用结构域的图案,材料的弹性以及施加外部磁场的方向来预测磁场下3D打印结构如何变形或移动。Ruike发现模型的预测与团队的实验紧密相关。

“我们已经开发出了一个供其他人使用的打印平台和预测模型。人们可以设计自己的结构和领域模式,用模型验证它们,并打印它们以启动各种功能。通过对结构、领域和磁场的复杂信息进行编程,人们甚至可以打印机器人等智能机器。”Zhao先生说。

除了前面提到的结构之外,该团队还可以沿着两个方向迅速扩展或收缩3D打印拉胀结构,以及嵌入电路和红色和绿色LED灯的环。根据其磁性方向,环可以变形为点亮绿色或红色的结构。

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