供稿人：白路歌、王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2025-05-18
軟體機(jī)器人具有靈活性、適應(yīng)性和生物相容性，在仿生學(xué)、醫(yī)療保健和機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)軟體機(jī)器人難以模仿生物器官的復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)（如腸道、心臟）及其動態(tài)行為，同時軟體機(jī)器人的現(xiàn)有增材制造方法（如DIW、DLP）在薄壁結(jié)構(gòu)制造中存在易變形、低效率等問題。為了解決這個問題，來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的謝暉團(tuán)隊提出了一種均勻磁場輔助立體光刻（UMA-SL）方法，可以打印具有曲面中空結(jié)構(gòu)和可編程各向異性磁化性能的3D薄壁軟體機(jī)器人。
首先，研究人員開發(fā)了含NdFeB顆粒的光固化樹脂作為打印墨水，通過添加氣相二氧化硅提高了墨水分散穩(wěn)定性，通過優(yōu)化墨水的固化參數(shù)平衡了材料的機(jī)械性能與磁化密度；采用Halbach陣列+電磁螺線管組合，制造了高強(qiáng)度（80mT）、高均勻性（強(qiáng)度誤差小于5%，方向誤差小于1.5°）的3D可調(diào)磁場裝置（圖1）。進(jìn)一步地，研究通過結(jié)合此3D可調(diào)磁場裝置和DLP光固化技術(shù)實現(xiàn)了磁性圖案的實時編程，能夠制造具有不同磁取向的3D結(jié)構(gòu)。此外，研究通過有限元模擬優(yōu)化了結(jié)構(gòu)中的支撐位置（避開應(yīng)變集中點）和尺寸，解決了薄壁結(jié)構(gòu)（壁厚200μm）的打印變形問題，實現(xiàn)了空心比0.92的薄壁結(jié)構(gòu)的制造。
圖1 可編程三維均勻磁場輔助光固化打印方法
為了驗證制造得到的薄壁軟體機(jī)器人的功能，研究人員制造了一些仿生醫(yī)療機(jī)器人，包括人工心臟瓣膜、腸道模擬器等。研究根據(jù)人體心室的結(jié)構(gòu)和功能特點，設(shè)計了一種磁性三維泵送結(jié)構(gòu)，通過交變磁場的作用成功地模仿了生物脈動流機(jī)制；設(shè)計并制作了一種模擬腸道蠕動流體輸送的磁性三維擠壓結(jié)構(gòu)，隨著驅(qū)動磁場的控制，磁性管道形成蠕動波，將流體推進(jìn)到近端，直到擠出，成功模擬了模仿腸道的蠕動排便功能；研制了能夠模仿生物吸排行為的軟膠囊機(jī)器人，通過磁控變形實現(xiàn)了液體載運(yùn)-靶向釋放功能，可以進(jìn)行精確的藥物輸送和樣品收集。
圖2 （A）仿人體腸道的磁性三維擠壓結(jié)構(gòu)；（B）仿生磁性三維泵送結(jié)構(gòu)；（C）具有仿生吸入-排出行為的磁性軟膠囊機(jī)器人
綜上所述，該技術(shù)成功實現(xiàn)了具有中空結(jié)構(gòu)、曲面和可編程各向異性磁化的3D薄壁軟機(jī)器的高質(zhì)量打印制造，提升了設(shè)計自由度和制造精度和制造效率，突破了薄壁磁性軟機(jī)器制造的關(guān)鍵瓶頸，能夠模擬循環(huán)流體推進(jìn)、單向流體輸送、蠕動變形、主動靶向貨物輸送和遞送以及液體活組織檢查收集，為仿生醫(yī)療機(jī)器人和微創(chuàng)診療工具的開發(fā)提供了新方法，具有重要生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。