這個 3D 列印的磁性結構體能夠爬行、滾動、跳躍，甚至還能玩接球

美國麻省理工學院的工程師們創造了一種 3D 列印的軟性結構體，其運動能通過外部磁場控制，就好似沒有繩子的木偶一般。

這一結構體能夠在磁鐵的控制下進行多種變形：一個在磁力作用下，光滑的表面起了波紋的環；一個一端能張合的管道；一個能自行摺疊的金屬片；一個蜘蛛形的「爪鉤」，能夠爬行、滾動、跳躍，還能及時抓住一閃而過的球。它甚至還能在磁鐵的引導下用自身包裹住一粒小藥片，將藥片運送到桌子的另一端。

這些磁力結構體的背後是一種加入了微小磁性顆粒的 3D 列印墨水。研究人員在 3D 印表機的噴嘴周圍安裝了一個電磁鐵。當墨水通過噴嘴時，電磁鐵導致其中的磁性顆粒朝同一方向排布。通過控制 3D 列印結構體各個部分的磁場方向，研究人員製作出的結構和裝置可以在幾乎瞬間之內變化成複雜的形狀。除此之外，由於結構體的各個部分都會對外部磁場作出響應，它們也可以移動。

麻省理工學院機械工程和土木與環境工程學院的趙選賀教授表示，這一磁性結構體所使用的相關技術能夠被用來製造磁控的生物醫學設備。

「我們認為這項技術在生物醫學領域有非常大的前景。」趙教授說，「舉個例子來說，我們可以在某根血管周圍放置一個結構來控制血液的流動，或者使用磁鐵來引導另一個裝置通過胃腸道，從而採集圖像，提取組織樣本，清除阻塞或將某些藥物輸送到特定位置。在設計和模擬後，我們可以直接將所需要的磁性結構列印出來。」

圖丨Yoonho Kim, 趙選賀, Hyunwoo Yuk（從左至右）

趙教授和他的同事們在 6 月 13 日的《自然》雜誌中發表了這一成果。論文中的合著者有麻省理工學院的 Yoonho Kim、Hyunwoo Yuk、Ruike Zhao，還有新澤西理工學院（New Jersey Institute of Technology）的 Shawn Chester。

日新月異的領域

該團隊開發的磁性結構體屬於「軟碟機動裝置」——在機械手段下能進行形狀變換或移動的柔軟、可變形材料，例如隨著溫度或 pH 變化而膨脹的水凝膠裝置; 在充足的刺激（如熱量或光照）下變形的形狀記憶聚合物和液晶彈性體; 通過空氣或水驅動的氣動和液壓裝置; 或是在電壓下拉伸的電介質彈性體。

但是水凝膠、形狀記憶聚合物和液晶彈性體的變形過程都非常緩慢；氣動和液壓裝置都必須將相關設備和氣泵、水泵連接起來，因此它們效率不高、難以遠程控制；電解質彈性體的變形需要非常高的電壓——通常要超過一千伏。

「目前沒有一個理想的軟性機器人可以在人體或類似的封閉的空間內不受限制地執行任務。」研究人員 Kim 說，「這就是為什麼我們認為磁控裝置這一理念有很大的發展空間。磁控裝置快速、有力、對身體傷害較小，並且可以遠程控制。」

圖丨3D列印結構

除了麻省理工這一團隊之外，已有其它研究人員製造出了磁力驅動的材料，不過他們製造的裝置只能完成一些相對簡單的動作。大多數情況下，研究人員將聚合物溶液與磁珠混合，然後將混合物倒入模具中。一旦混合物固化，研究人員會在將結構從模具中取出之前對其施加磁場，從而使磁珠均勻磁化。

「在我們之前，研究人員只做出了能夠延長、縮短和彎曲的結構體。」Yuk 說，「我們的挑戰在於：該怎樣做出一個能執行更複雜任務的結構體或機器人呢？」

「區域」遊戲

麻省理工的研究團隊沒有製造內部磁場方向完全一致的結構體；他們在結構體中創建了磁性「區域」——結構體中的獨立部分，其中的磁性粒子擁有與其它區域不同的磁場方向。當結構體暴露於外部磁場中的時候，由於各部分粒子對外部磁場的響應不同，每個部分的移動方式都不盡相同。正因為如此，該小組認為他們的結構體能夠執行更複雜的細緻動作。

通過他們的 3D 列印平台，研究者們能夠列印出一個結構體的不同部分，也就是不同的磁性「區域」。在列印每個「區域」時，他們都會改變印表機噴嘴周圍電磁鐵的方向，從而調整特定「區域」中磁性顆粒的方向。

該團隊還開發了一種物理模型，用於預測印刷結構在磁場下如何變形。這一模型的變數包括印刷材料的彈性、結構體中各個「區域」的形狀，以及施加外部磁場的方式。該模型可以預測整個結構體變形或移動的方式。Ruike 發現模型的預測結果與團隊用不同結構體進行實驗的結果非常接近。

圖丨3D列印結構

除了會起波紋的環、會開閉的管道，和類似蜘蛛的「爪鉤」，研究人員們也製作了一些複雜的結構，例如一個能快速收縮或沿兩個方向伸展的「拉脹」結構。趙教授和它的同事們也列印了一個印有嵌入電路和紅綠 LED 燈的環。根據外部磁場的方向，環可以通過變形，點亮紅燈或綠燈。

「我們已經開發了一個供其他人使用的列印平台和預測模型。人們可以設計自己的結構和「區域」形態，用我們的模型驗證它們，並列印它們以實踐各種功能。」趙教授說，「通過編譯結構、「區域」和磁場等的複雜信息，我們甚至可以印表機器人等智能機器。」

喬治亞理工機械工程系的教授 Jerry Qi 表示，這一團隊的成果將會引領一系列快速、遠程控制軟性機器人的設計與研發，尤其是在生物醫學領域。

「他們的研究非常新穎。」Qi 教授並沒有參與這項研究，但是對他們的工作給予了很高的評價。「人們可以在人體內使用軟性機器人，或者在不易接觸到的地方使用軟性機器人。利用這篇論文講述的這項技術，我們可以在人體外部施加磁場，無需在人體內使用任何布線。由於它們響應速度快，軟性機器人可以在短時間內完成許多動作。這些都對於實際應用非常重要。」

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