供稿人:王慧超 連芩 發(fā)布日期：2018-10-04
柔性材料的三維結(jié)構(gòu)能夠在光、熱、溶劑、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的刺激下發(fā)生轉(zhuǎn)變，常被用于柔性電子設(shè)備、軟體機(jī)器人技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
美國(guó)麻省理工學(xué)院的趙選賀等提出了一種3D打印的柔性結(jié)構(gòu)，在柔性材料中存在可編程鐵磁疇，通過磁驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維形狀的快速變換。其主要過程是打印時(shí)在噴嘴周圍施加磁場(chǎng)，可控制打印材料中可磁化微粒的磁極方向，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的3D打印柔性材料結(jié)構(gòu)中編程排布鐵磁疇，從而實(shí)現(xiàn)一種新的轉(zhuǎn)換模式，例如遠(yuǎn)程控制具有負(fù)泊松比的機(jī)械超材料的拉脹行為。
研究中所使用的3D打印墨水由可磁化的釹鐵硼（NdFeB）微粒和氣相二氧化硅納米粒子組成，嵌入在含硅氧烷催化劑和交聯(lián)劑的硅橡膠基質(zhì)中。在打印過程中，通過在噴嘴周圍放置永久磁鐵或電磁線圈控制擠出細(xì)絲中磁性微粒的磁極方向，如圖1a所示，可以打印出具有磁性的復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。在打印完成的結(jié)構(gòu)上施加一定的磁場(chǎng)，將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)中的磁性微粒產(chǎn)生力的作用，造成宏觀上結(jié)構(gòu)的變形。例如，在打印是通過變換磁場(chǎng)方向，使擠出直線細(xì)絲中磁性微粒的磁極如圖1b所示，在施加一定方向的磁場(chǎng)后，直線細(xì)絲將變?yōu)椤癿”型形狀，時(shí)間僅需要0.1秒。圖1c為有限元模擬結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖1d相似。
圖1 3D打印柔性材料中鐵磁疇的設(shè)計(jì) （a）3D打印過程的原理圖和材料成分；（b）擠出細(xì)絲磁性微粒磁極示意圖；（c）有限元模擬施加磁場(chǎng)情況；（d）實(shí)驗(yàn)結(jié)果
除了上述的擠出直線細(xì)絲結(jié)構(gòu)外，作者還提出了二維平面結(jié)構(gòu)向三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。如圖2a和2d，作者設(shè)計(jì)了具有相同幾何形狀但鐵磁疇分布不同的二維圓環(huán)結(jié)構(gòu)，在垂直于圓環(huán)平面方向施加磁場(chǎng)，兩個(gè)二維圓環(huán)結(jié)構(gòu)將變?yōu)椴煌螤畹娜S結(jié)構(gòu)。在圖2g和2f中，作者設(shè)計(jì)了比較簡(jiǎn)單的三維矩形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中鐵磁疇的磁極方向由編程確定，通過施加一定方向的磁場(chǎng)，簡(jiǎn)單的矩形結(jié)構(gòu)將變?yōu)閺?fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。而且，其響應(yīng)時(shí)間僅為0.30秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于形狀記憶聚合物等其他材料。
圖2 具有特定排布的鐵磁疇的二維、三維結(jié)構(gòu)在磁場(chǎng)下發(fā)生形狀的變換 （a-c）鐵磁疇磁極方向均勻分布的環(huán)形結(jié)構(gòu)；（b-f）鐵磁疇磁極方向分布不均勻的環(huán)形結(jié)構(gòu)；（g-l）簡(jiǎn)單的長(zhǎng)方體排布三維結(jié)構(gòu)
上述3D打印方法可拓展至使用不同類型的彈性體、水凝膠基質(zhì)和磁性顆粒組成的打印墨水。在3D打印柔性材料時(shí)編程排布材料中鐵磁疇的磁極方向，打印完成后施加一定的磁場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的變換，其響應(yīng)時(shí)間也是極短的。通過復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)形狀的變化實(shí)現(xiàn)各種各樣的功能，包括可重構(gòu)柔性電子技術(shù)、可以跳躍的機(jī)械超材料以及可以爬行、翻滾、捕捉快速移動(dòng)物體和運(yùn)輸藥物的軟體機(jī)器人。為柔性電子設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和軟體機(jī)器人的應(yīng)用提供了新的可能性。