蜘蛛狀抓取器（六足結(jié)構(gòu)）（上圖：打印前；下圖：打印后）

麻省理工學(xué)院的工程師們發(fā)明了一種柔軟的3D打印結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)可以用磁力來(lái)控制，就像沒(méi)有弦的木偶一樣。能被磁化控制的復(fù)雜結(jié)構(gòu)包括一個(gè)光滑的環(huán)狀褶皺，一個(gè)可以擠壓閉合的長(zhǎng)管，一張可以折疊的面板，還有一個(gè)蜘蛛狀的“抓鉤”，它可以爬行、滾動(dòng)、跳躍，并以足夠快的速度抓住傳球。該成果于6月13日發(fā)表在《自然》雜志上。

研究人員使用了一種新型的、注入了微小的磁性顆粒的3D打印墨水制造出以上結(jié)構(gòu)。他們?cè)?D打印機(jī)的噴頭上安裝了一個(gè)電磁體，當(dāng)墨水通過(guò)噴頭輸入時(shí)，磁性微粒就會(huì)向單一方向擺動(dòng)。通過(guò)控制結(jié)構(gòu)中各個(gè)組分的磁場(chǎng)方向，研究人員制造出的結(jié)構(gòu)和設(shè)備可以瞬間轉(zhuǎn)變成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，甚至可以在各個(gè)部分響應(yīng)外部磁場(chǎng)時(shí)四處移動(dòng)。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系和土木與環(huán)境工程系的Xuanhe Zhao教授表示，該技術(shù)可能被用于制造磁控生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

該團(tuán)隊(duì)的磁激活結(jié)構(gòu)屬于軟驅(qū)動(dòng)裝置的范疇——柔軟的、可塑的材料，它們被設(shè)計(jì)成通過(guò)各種機(jī)械手段來(lái)變形或移動(dòng)。例如，當(dāng)溫度或pH變化時(shí)，水凝膠裝置膨脹；形狀記憶聚合物和液晶彈性體在足夠的刺激下(如熱或光)發(fā)生變形；氣動(dòng)和液壓裝置可由泵入其中的空氣或水驅(qū)動(dòng)；介電彈性體在電壓作用下拉伸。但是水凝膠、形狀記憶聚合物和液晶彈性體反應(yīng)緩慢，需要一定時(shí)間才能內(nèi)改變形狀。空氣和水驅(qū)動(dòng)設(shè)備需要管道將它們連接到泵上，這使得它們?cè)谶h(yuǎn)程控制應(yīng)用中效率低下。介電彈性體需要高電壓，通常在1000伏以上。

“目前還沒(méi)有軟體機(jī)器人能在像人體內(nèi)部一樣的密閉空間里進(jìn)行任務(wù)，這就是為什么我們認(rèn)為磁驅(qū)動(dòng)的概念有很大的希望，因?yàn)樗强焖俚模辛Φ模眢w友好的，并且可以遠(yuǎn)程控制。”文章的作者之一Yoonho Kim說(shuō)道。

研究小組沒(méi)有使用相同方向的磁性粒子來(lái)制造結(jié)構(gòu)，而是尋找創(chuàng)造磁性“域”的方法——每個(gè)部分都有不同方向的磁性粒子。當(dāng)暴露在外部磁場(chǎng)中時(shí)，每個(gè)部分都應(yīng)該以不同的方式運(yùn)動(dòng)，這取決于粒子對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)方向。通過(guò)這種方式，小組推測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)該可以進(jìn)行更復(fù)雜的連接和運(yùn)動(dòng)。

使用新的3D打印平臺(tái)，研究人員可以打印出一個(gè)結(jié)構(gòu)的部分或區(qū)域，并通過(guò)改變打印機(jī)噴嘴的電磁鐵方向來(lái)調(diào)整特定領(lǐng)域內(nèi)磁粒子的方向。該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一個(gè)物理模型，可以預(yù)測(cè)打印出來(lái)的結(jié)構(gòu)在磁場(chǎng)下會(huì)如何變形。考慮到印刷材料的彈性、結(jié)構(gòu)中域的格局以及施加外部磁場(chǎng)的方式，該模型可以預(yù)測(cè)整體結(jié)構(gòu)的變形或移動(dòng)方式。

除了一個(gè)波紋狀的圓環(huán)、一個(gè)自擠壓管和一個(gè)蜘蛛狀的抓地器，研究小組還打印了其他復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比如一組“增大”結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)迅速地沿著兩個(gè)方向收縮或擴(kuò)張。

“我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)打印平臺(tái)和一個(gè)預(yù)測(cè)模型供其他人使用。人們可以設(shè)計(jì)自己的結(jié)構(gòu)和領(lǐng)域模式，用模型驗(yàn)證它們，并打印它們來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)、領(lǐng)域和磁場(chǎng)等復(fù)雜信息的編程，甚至可以打印出機(jī)器人等智能產(chǎn)品。”Zhao介紹道。