近日，機電工程學院謝暉教授團隊研發出一種可精準控制打印結構磁化分布的光固化3D打印技術。相關研究成果以《磁矩空間可編程光固化打印技術制備仿生薄壁軟體機器》(Programmable spatial magnetization stereolithographic printing of biomimetic soft machines with thin-walled structures)為題發表在《自然通訊》(Nature Communications)上，為精準制造磁性薄壁軟體機器人提供了新途徑。
 

　　軟體機器人憑借其柔性、適應性和生物相容性，在生物醫療領域展現出廣闊應用前景。通過外部磁場控制材料中磁性顆粒的排列方向，可實現對磁性軟體機器人變形行為的精準調控。然而，復雜三維薄壁結構的制造仍是一大技術瓶頸。現有的磁場輔助直寫打印和數字光處理技術易受重力和磁力干擾導致結構變形，難以突破平面或簡單垂直壁結構的限制。這一挑戰在制造具有大變形能力的三維薄壁結構時尤為突出。
 

　　針對上述問題，團隊創新性地將海爾貝克陣列與電磁線圈相結合，設計出一款低功耗磁場發生器，可在光固化平面內產生高強度、三維均勻可控的磁場。該系統在直徑40毫米的工作空間內實現了80毫特斯拉的磁場強度，均勻度誤差控制在5%以內，角度誤差小于1.5°，打印面積較同類技術提升一個數量級。通過磁場發生器精準控制光固化結構中硬磁顆粒的磁矩方向，實現了復雜磁性薄壁結構的制造。團隊還通過優化含硬磁顆粒的光固化樹脂配方并改進支撐添加策略，顯著提升了工藝穩定性。該技術可制造最小壁厚200微米、空心率達0.92的精細結構，并支持多單元并行制造。
 

　　基于該技術，研究團隊成功開發出多種功能型軟體機器人原型，包括具有仿生特性的磁控單向閥、蠕動功能輸運機器人、仿心室軟體機器人和膠囊軟體機器人，展現了在模擬復雜生物行為和功能方面的應用潛力。該技術不僅突破了磁性軟體機器人復雜中空薄壁結構的制造瓶頸，也為其在仿生和藥物遞送等領域的應用開辟了新途徑。
 

　　機器人技術與系統全國重點實驗室為論文唯一單位。謝暉教授為論文通訊作者。機電工程學院青年教師孟祥和、博士研究生李詩詩為論文共同第一作者。機電工程學院博士研究生沈行健、田陳堯、毛立陽為論文共同作者。生命科學和醫學學部胡穎教授、王星文副研究員為相關研究工作提供大力支持。
 

　　該項研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。