西安交大唐敬達(dá)與華中科大鄧謙合作: 3D打印水凝膠制作的磁性軟體機(jī)器人
時(shí)間：2021-10-29 22:01 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
磁場驅(qū)動的微型軟體機(jī)器人因其可編程變形和遠(yuǎn)程遙控的快速驅(qū)動特性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。2018年，德國馬普所Metin
Sitti和麻省理工學(xué)院趙選賀團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立提出了基于硬磁軟材料的軟體機(jī)器人（Nature 554，Nature
558），引起了廣泛關(guān)注。然而，硬磁軟材料的研究尚處于初步階段，仍存在諸多挑戰(zhàn)：磁疇編輯困難，調(diào)控手段較少；力學(xué)結(jié)構(gòu)失之簡單，限制了其變形能力。
近日，西安交通大學(xué)唐敬達(dá)副教授和華中科技大學(xué)鄧謙副教授研究團(tuán)隊(duì)在Wiley旗下智能系統(tǒng)領(lǐng)域期刊Advanced Intelligent Systems發(fā)表題為“Magnetic Arthropod Millirobots Fabricated by 3D-Printed Hydrogels” 的文章。作者將3D打印與“模板輔助磁化”相結(jié)合，在保留復(fù)雜結(jié)構(gòu)的同時(shí)，克服了原位磁疇編輯的困難。進(jìn)一步為磁性軟機(jī)器設(shè)計(jì)了類似節(jié)肢動物“關(guān)節(jié)”的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了“關(guān)節(jié)”部位非均勻彎曲剛度的調(diào)控，使其可以在較小磁場的驅(qū)動下達(dá)到更佳的變形效果，以此設(shè)計(jì)了眾多變形結(jié)構(gòu)。作者展示了在影像手段輔助下，利用磁場遙控水凝膠機(jī)器人從豬的不同器官中定位、抓取和移動外來異物，闡明了磁性軟機(jī)器作為微型手術(shù)機(jī)器人的應(yīng)用前景。
1 磁性變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料合成
作者通過摻雜硬磁性顆粒（NdFeB）的3D打印磁性水凝膠制造磁性軟體機(jī)器人，硬磁顆粒可進(jìn)行磁疇編輯，使材料在外加磁場下產(chǎn)生可編程復(fù)雜變形。仿生“關(guān)節(jié)”設(shè)計(jì)將軟機(jī)器中常見的彎曲變形（材料整體發(fā)生變形）轉(zhuǎn)化為折疊變形（主體圍繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動），使相同磁場下的變形角度增大，同時(shí)降低了能量消耗（圖1）。
材料合成詳見J. Mater. Chem. B, 2021, DOI: 10.1039/D1TB01694F（https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/TB/D1TB01694F）。該硬磁性水凝膠添加了水凝膠微球，同時(shí)起到雙網(wǎng)絡(luò)增韌、增稠和3D打印的效果，確保了硬磁顆粒在水凝膠基體中的均勻分布及磁疇編輯（圖2）。
作者研究了磁性軟機(jī)器的基本力學(xué)結(jié)構(gòu)（懸臂梁）在磁場下的變形行為（圖3），并通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真對比了彎曲和折疊兩種變形模式，發(fā)現(xiàn)同樣磁場下，折疊模式的變形角度更大，證明了關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的有效性，探究了折痕幾何參數(shù)的影響，為此后的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
2 磁性軟體機(jī)器人的驅(qū)動變形和應(yīng)用展示
作者實(shí)現(xiàn)了多種磁性變形結(jié)構(gòu)在磁場驅(qū)動下的快速、可重復(fù)變形驅(qū)動（圖4），并且用有限元仿真軟件預(yù)測了軟機(jī)器的變形。進(jìn)一步設(shè)計(jì)制造了一種六臂機(jī)器人，具有多種不同的形態(tài)（平鋪、站立、收攏），可在磁場控制下于不同形態(tài)之間轉(zhuǎn)變（圖5），響應(yīng)速度極快（1秒以內(nèi)），該軟機(jī)器的大小和指甲蓋相當(dāng)（~10mm）。
利用上述六臂機(jī)器人，作者展示了磁性軟機(jī)器的一項(xiàng)潛在應(yīng)用（圖6）：預(yù)先將一件異物（鉛絲）放進(jìn)動物的器官中（主動脈、胃和大腸），在內(nèi)窺鏡影像的輔助下，六臂機(jī)器人先是由磁場遙控在器官中移動并且定位目標(biāo)，隨后利用變形能力完成對目標(biāo)物體的捕獲，最后在磁場的導(dǎo)航下攜帶物體前往指定地點(diǎn)。得益于硬磁性材料對外加磁場的快速響應(yīng)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程可以在幾分鐘之內(nèi)完成，而且磁性水凝膠具有較低的細(xì)胞毒性。
論文共同第一作者是西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院碩士研究生孫伯男和賈榮，通訊作者是西安交通大學(xué)唐敬達(dá)副教授和華中科技大學(xué)鄧謙副教授。 西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位，上述研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)國際（地區(qū)）合作研究項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間創(chuàng)新合作項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：Bonan Sun, Rong Jia, Hang Yang, Xi Chen, Kai Tan, Qian Deng, Jingda Tang, Magnetic Arthropod Millirobots Fabricated by 3D-Printed Hydrogels. Advanced Intelligent Systems, 2021, 2100139.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202100139
近日，西安交通大學(xué)唐敬達(dá)副教授和華中科技大學(xué)鄧謙副教授研究團(tuán)隊(duì)在Wiley旗下智能系統(tǒng)領(lǐng)域期刊Advanced Intelligent Systems發(fā)表題為“Magnetic Arthropod Millirobots Fabricated by 3D-Printed Hydrogels” 的文章。作者將3D打印與“模板輔助磁化”相結(jié)合，在保留復(fù)雜結(jié)構(gòu)的同時(shí)，克服了原位磁疇編輯的困難。進(jìn)一步為磁性軟機(jī)器設(shè)計(jì)了類似節(jié)肢動物“關(guān)節(jié)”的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了“關(guān)節(jié)”部位非均勻彎曲剛度的調(diào)控，使其可以在較小磁場的驅(qū)動下達(dá)到更佳的變形效果，以此設(shè)計(jì)了眾多變形結(jié)構(gòu)。作者展示了在影像手段輔助下，利用磁場遙控水凝膠機(jī)器人從豬的不同器官中定位、抓取和移動外來異物，闡明了磁性軟機(jī)器作為微型手術(shù)機(jī)器人的應(yīng)用前景。
1 磁性變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料合成
圖1 節(jié)肢動物啟發(fā)的磁性軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造
作者通過摻雜硬磁性顆粒（NdFeB）的3D打印磁性水凝膠制造磁性軟體機(jī)器人，硬磁顆粒可進(jìn)行磁疇編輯，使材料在外加磁場下產(chǎn)生可編程復(fù)雜變形。仿生“關(guān)節(jié)”設(shè)計(jì)將軟機(jī)器中常見的彎曲變形（材料整體發(fā)生變形）轉(zhuǎn)化為折疊變形（主體圍繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動），使相同磁場下的變形角度增大，同時(shí)降低了能量消耗（圖1）。
圖2 含微球的硬磁性水凝膠的合成
材料合成詳見J. Mater. Chem. B, 2021, DOI: 10.1039/D1TB01694F（https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/TB/D1TB01694F）。該硬磁性水凝膠添加了水凝膠微球，同時(shí)起到雙網(wǎng)絡(luò)增韌、增稠和3D打印的效果，確保了硬磁顆粒在水凝膠基體中的均勻分布及磁疇編輯（圖2）。
作者研究了磁性軟機(jī)器的基本力學(xué)結(jié)構(gòu)（懸臂梁）在磁場下的變形行為（圖3），并通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真對比了彎曲和折疊兩種變形模式，發(fā)現(xiàn)同樣磁場下，折疊模式的變形角度更大，證明了關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的有效性，探究了折痕幾何參數(shù)的影響，為此后的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
圖3 磁性軟體機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)單元變形研究
2 磁性軟體機(jī)器人的驅(qū)動變形和應(yīng)用展示
圖4 含折痕的磁性變形結(jié)構(gòu)
作者實(shí)現(xiàn)了多種磁性變形結(jié)構(gòu)在磁場驅(qū)動下的快速、可重復(fù)變形驅(qū)動（圖4），并且用有限元仿真軟件預(yù)測了軟機(jī)器的變形。進(jìn)一步設(shè)計(jì)制造了一種六臂機(jī)器人，具有多種不同的形態(tài)（平鋪、站立、收攏），可在磁場控制下于不同形態(tài)之間轉(zhuǎn)變（圖5），響應(yīng)速度極快（1秒以內(nèi)），該軟機(jī)器的大小和指甲蓋相當(dāng)（~10mm）。
圖5 磁場驅(qū)動下具有多種運(yùn)動模式的六臂軟體機(jī)器人
利用上述六臂機(jī)器人，作者展示了磁性軟機(jī)器的一項(xiàng)潛在應(yīng)用（圖6）：預(yù)先將一件異物（鉛絲）放進(jìn)動物的器官中（主動脈、胃和大腸），在內(nèi)窺鏡影像的輔助下，六臂機(jī)器人先是由磁場遙控在器官中移動并且定位目標(biāo)，隨后利用變形能力完成對目標(biāo)物體的捕獲，最后在磁場的導(dǎo)航下攜帶物體前往指定地點(diǎn)。得益于硬磁性材料對外加磁場的快速響應(yīng)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程可以在幾分鐘之內(nèi)完成，而且磁性水凝膠具有較低的細(xì)胞毒性。
圖6 磁性軟機(jī)器人用于管腔中的異物抓取
論文共同第一作者是西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院碩士研究生孫伯男和賈榮，通訊作者是西安交通大學(xué)唐敬達(dá)副教授和華中科技大學(xué)鄧謙副教授。 西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位，上述研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)國際（地區(qū)）合作研究項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間創(chuàng)新合作項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：Bonan Sun, Rong Jia, Hang Yang, Xi Chen, Kai Tan, Qian Deng, Jingda Tang, Magnetic Arthropod Millirobots Fabricated by 3D-Printed Hydrogels. Advanced Intelligent Systems, 2021, 2100139.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202100139
(責(zé)任編輯：admin)
上一篇：眼見為實(shí)：郭崢團(tuán)隊(duì)通過3D打印揭示腸道細(xì)胞動態(tài)分化
下一篇：廈大孫道恒教授課題組《Small》：在超材料制造領(lǐng)域取得新進(jìn)展
下一篇：廈大孫道恒教授課題組《Small》：在超材料制造領(lǐng)域取得新進(jìn)展
逐夢生物3D打印人造組織器
16歲高中生“手搓”折疊屏
3D Systems 創(chuàng)始人Chuck H
吳鑫華院士領(lǐng)銜建設(shè)蘇州大
武漢三維陶瓷總經(jīng)理馬濤：
李方正：中國增材制造產(chǎn)業(yè)最新內(nèi)容
- ·逐夢生物3D打印人造組織器官—博士生梁
- ·16歲高中生“手搓”折疊屏手機(jī)！3D打印
- ·3D Systems 創(chuàng)始人Chuck Hull當(dāng)選美國
- ·吳鑫華院士領(lǐng)銜建設(shè)蘇州大學(xué)金屬材料與
- ·武漢三維陶瓷總經(jīng)理馬濤：工業(yè)化應(yīng)用落
- ·李方正：中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展洞悉暨《
- ·張麗娟：增材制造技術(shù)發(fā)展動態(tài)，德國Fr
- ·楊曉光：增材制造裝備可靠性檢測賦能新
- ·李騫：金屬增材制造裝備質(zhì)量可靠性探索
- ·麥奇光：金屬3D打印在骨科中的應(yīng)用
推薦內(nèi)容
中科院林鑫團(tuán)隊(duì)To
專訪清鋒創(chuàng)始人姚
浙江大學(xué)賀永教授
吳逸飛：區(qū)塊鏈技
黃維院士團(tuán)隊(duì)：3D
孫陸逸教授：高分熱點(diǎn)內(nèi)容
- ·楊劍：擁抱時(shí)代浪潮，3D打印，未來“天
- ·張衛(wèi)紅院士團(tuán)隊(duì)：航天高性能薄壁構(gòu)件的
- ·清華大學(xué)姚學(xué)鋒教授團(tuán)隊(duì)：3D打印連續(xù)纖
- ·專訪清鋒創(chuàng)始人姚志鋒，做3D打印產(chǎn)品“
- ·湯慧萍教授入選陜西省“特支計(jì)劃”科技
- ·戴尅戎院士團(tuán)隊(duì)“定制式增材制造膝關(guān)節(jié)
- ·南科大《CoCo》綜述：連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合
- ·美國海軍作戰(zhàn)部長：3D打印能造核武
- ·國防科技大學(xué)教授王群：3D打印在軍事應(yīng)
- ·武漢三維陶瓷總經(jīng)理馬濤：工業(yè)化應(yīng)用落
