清華大學(xué)采用數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)開發(fā)多功能磁力軟體機(jī)器人

2025年4月29日，南極熊獲悉，清華大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種先進(jìn)的數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)，該技術(shù)能夠一次性制造出由不同材料構(gòu)成的復(fù)合磁性結(jié)構(gòu)。此外，他們還利用這項(xiàng)技術(shù)成功設(shè)計(jì)并打印出一個(gè)集硬磁材料和超順磁材料于一體的軟體機(jī)器人。

△相關(guān)研究成果已發(fā)表在《Cyborg and Bionic Systems》雜志上，證明了DLP 3D打印技術(shù)在擴(kuò)展多功能軟機(jī)器人設(shè)計(jì)和制造方面的巨大潛力（傳送門）

制造二維或三維磁結(jié)構(gòu)的方法多種多樣。然而，傳統(tǒng)工藝如模具輔助成型和紫外光刻受限于模具形狀和材料類型，難以制造復(fù)雜磁結(jié)構(gòu)。這些方法通常要求結(jié)構(gòu)成分均勻，使得使用多種材料制造多功能磁結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。盡管多步組裝和材料鍵合技術(shù)能夠?qū)⒉煌�材料組合用于各種應(yīng)用，但它們?cè)诖_保制造結(jié)構(gòu)的尺寸范圍和精度方面存在挑戰(zhàn)。

△多材料一步打印工藝和打印樣品的示意圖和SEM圖像。（A）多材料一步打印工藝示意圖，展示了打印過程中3個(gè)不同樹脂槽的順序切換，從而在單個(gè)步驟中實(shí)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)。（B）含磁性顆粒樹脂在紫外光下的固化過程示意圖。 （C）打印樣品橫截面的SEM圖像，表明層高均勻且打印穩(wěn)定。 （D）打印樣品的EDS圖像，描繪了樣品橫截面上的元素分布

清華大學(xué)的汪家道教授提出了先進(jìn)的數(shù)字光處理技術(shù)，該技術(shù)能夠在單次打印過程中制造出由不同材料組成的復(fù)合磁性結(jié)構(gòu)。利用這項(xiàng)技術(shù)，汪教授的團(tuán)隊(duì)成功創(chuàng)建了多種復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括磁性軟硬材料復(fù)合體、具有不同磁濃度梯度的復(fù)合材料，以及硬磁-超順磁復(fù)合材料。

△使用標(biāo)準(zhǔn)剛性樹脂和含有NdFeB及Fe3O4顆粒的軟樹脂通過3D打印技術(shù)制造的多種樣品，包括用于驗(yàn)證打印精度的基準(zhǔn)樣品、具有不同磁性顆粒比例的多層結(jié)構(gòu)、一次性打印的薄壁矩形結(jié)構(gòu)、軟夾持裝置和杯形組合結(jié)構(gòu)等

汪教授進(jìn)一步解釋道，這項(xiàng)研究介紹了磁驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人的一次性多材料3D打印創(chuàng)新概念和技術(shù)原理。研究?jī)?nèi)容涵蓋了打印結(jié)構(gòu)的機(jī)械和磁特性，并展示了幾個(gè)應(yīng)用示例。研究團(tuán)隊(duì)還詳細(xì)探討了由硬磁和超順磁材料構(gòu)成的軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，重點(diǎn)研究了磁疇分布和超順磁材料的熱效應(yīng)。他們?cè)u(píng)估了機(jī)器人在表面移動(dòng)、克服障礙、捕獲和運(yùn)輸物體，甚至在液體環(huán)境中游泳的能力，并通過多物理場(chǎng)耦合仿真分析了它們的游泳姿勢(shì)。

△圖片顯示了軟體機(jī)器人的平面運(yùn)動(dòng)和功能驗(yàn)證結(jié)果。在爬行姿態(tài)實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人以每秒0.31個(gè)體長(zhǎng)的速度沿著磁場(chǎng)方向移動(dòng)。滾動(dòng)姿態(tài)實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了每秒1.88個(gè)體長(zhǎng)的滾動(dòng)速度。在豬胃模型內(nèi)，機(jī)器人能夠沿指定軌跡滾動(dòng)。功能驗(yàn)證包括越障、抓取和運(yùn)輸目標(biāo)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑用紅色軌跡表示

清華大學(xué)的研究人員指出，解決了強(qiáng)磁性結(jié)構(gòu)與離型膜之間的粘附問題、固化深度減少以及磁性粒子沉降等問題，并通過生物相容性測(cè)試后，該技術(shù)最終可用于設(shè)計(jì)能夠?qū)⑺幬镏苯虞斔偷缴�物組織內(nèi)傷口部位的膠囊機(jī)器人。

本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（NSFC）資助，項(xiàng)目編號(hào)：52275200 和 52205312。