磁性3D打印结构爬行，滚动和跳跃

工程师创造出柔软的3D打印结构，其运动可以通过磁铁波来控制，就像没有琴弦的木偶一样。能被磁力操纵的结构物包括可以起皱的光滑环，挤压关闭的长管，可以折叠的薄片以及可以快速爬行，滚动，跳跃并快速对齐的蜘蛛状“抓取器”足以抓住传球。

麻省理工学院的工程师们创造出了柔软的3D打印结构，其运动可以通过磁铁波来控制，就像没有琴弦的木偶一样。

能被磁力操纵的建筑物包括一个光滑的环，起皱，一个长管挤压关闭，一张折叠自身，以及一个可以爬行，滚动，跳跃和快速抓住的蜘蛛状“抓取器”足以抓住传球。它甚至可以直接包裹在一个小药丸周围，并将其携带穿过一张桌子。

研究人员用一种新型3D打印墨水制造了每种结构，并在其中注入了微小的磁性颗粒。他们在3D打印机的喷嘴周围安装了一个电磁铁，当墨水通过喷嘴进入时，导致磁性颗粒摇摆成单一方向。通过控制结构中各个部分的磁性取向，研究人员可以生产几乎可瞬间转变成复杂结构甚至移动的结构和装置，因为各个部分都会响应外部磁场。

麻省理工学院机械工程系和土木与环境工程系Noyce职业发展教授Xuanhe Zhao说该小组的技术可用于制造磁控生物医学设备。

“我们认为在生物医学中这种技术会找到有前途的应用，”赵说。“例如，我们可以在血管周围放置一个结构来控制血液的抽吸，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，清除堵塞或者将某些药物输送到您可以设计，模拟和打印，以实现各种功能。“

赵和他的同事今天在“ 自然 ”杂志上发表了他们的结果。他的合着者包括MIT的Yoonho Kim，Yoonwoo Yuk和赵瑞克以及新泽西理工学院的Shawn Chester。

移动领域

该团队的磁性激活结构属于软驱动设备的一般类别 - 柔软，可塑造的材料，设计用于移动或移动通过各种机械手段。例如，水凝胶装置在温度或pH变化时膨胀; 形状记忆聚合物和液晶弹性体在充足的刺激如热或光下变形; 气动和液压装置可以通过空气或水泵入其中; 并且电介质弹性体在电压下拉伸。

但是水凝胶，形状记忆聚合物和液晶弹性体响应缓慢，并且在几分钟到几个小时内改变形状。空气和水驱动设备需要将其连接到泵的管道，使得它们对于远程控制应用而言效率低下。介电弹性体需要高电压，通常高于千伏。

Kim说：“没有理想的候选人可以在像人体这样的封闭空间里执行软机器人，你可以在这里完成某些任务。” “这就是为什么我们认为这种磁致动的理念是非常有希望的，因为它快速，有力，身体健康，并且可以远程控制。”

其他团队已经制造出磁性活化材料，尽管他们所取得的成果相对简单。大多数情况下，研究人员将聚合物溶液与磁珠混合，然后将混合物倒入模具中。一旦材料固化，在将结构从模具中取出之前，它们施加磁场以使珠粒均匀磁化。

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

域游戏

该团队并没有制造出具有相同，均匀取向的磁性颗粒的结构，而是寻求创造磁性“结构域”的方法 - 结构的各个部分，每个部分都具有明显的磁性颗粒取向。当暴露于外部磁场时，每个部分应以不同的方式移动，这取决于其粒子响应于磁场而移动的方向。通过这种方式，该小组推测，结构应该执行更复杂的关节和动作。

通过新的3D打印平台，研究人员可以打印结构的部分或区域，并通过改变环绕打印机喷嘴的电磁铁的方向来调整特定区域中的磁性颗粒的方向，因为该区域是打印。

该团队还开发了一种物理模型，用于预测印刷结构在磁场下如何变形。考虑到印刷材料的弹性，结构中畴的图案以及施加外部磁场的方式，该模型可以预测整体结构将变形或移动的方式。瑞克发现模型的预测与团队用不同印刷结构进行的实验紧密匹配。

除了一个波纹环，一个自挤压管和一个蜘蛛状抓取器之外，团队还印刷了其他复杂的结构，例如一组“拉胀”结构，这些结构沿着两个方向快速收缩或扩展。赵和他的同事们还印制了一个嵌有电路和红色和绿色LED灯的环。根据外部磁场的方向，环可以通过编程方式变形为点亮红色或绿色。

“我们已经开发了一个打印平台和一个供其他人使用的预测模型，人们可以设计自己的结构和领域模式，使用模型进行验证，并打印出来以启动各种功能。”Zhao说。“通过对结构，领域和磁场的复杂信息进行编程，人们甚至可以打印智能机器，例如机器人。”