蜘蛛狀抓取器（六足結(jié)構(gòu)）（上圖：打印前；下圖：打印后）

麻省理工學院的工程師們發(fā)明了一種柔軟的3D打印結(jié)構(gòu)，其運動可以用磁力來控制，就像沒有弦的木偶一樣。能被磁化控制的復雜結(jié)構(gòu)包括一個光滑的環(huán)狀褶皺，一個可以擠壓閉合的長管，一張可以折疊的面板，還有一個蜘蛛狀的“抓鉤”，它可以爬行、滾動、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)。他們在3D打印機的噴頭上安裝了一個電磁體，當墨水通過噴頭輸入時，磁性微粒就會向單一方向擺動。通過控制結(jié)構(gòu)中各個組分的磁場方向，研究人員制造出的結(jié)構(gòu)和設備可以瞬間轉(zhuǎn)變成復雜的結(jié)構(gòu)，甚至可以在各個部分響應外部磁場時四處移動。

麻省理工學院機械工程系和土木與環(huán)境工程系的Xuanhe Zhao教授表示，該技術可能被用于制造磁控生物醫(yī)學設備。

該團隊的磁激活結(jié)構(gòu)屬于軟驅(qū)動裝置的范疇——柔軟的、可塑的材料，它們被設計成通過各種機械手段來變形或移動。例如，當溫度或pH變化時，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；氣動和液壓裝置可由泵入其中的空氣或水驅(qū)動；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緩慢，需要一定時間才能內(nèi)改變形狀?？諝夂退?qū)動設備需要管道將它們連接到泵上，這使得它們在遠程控制應用中效率低下。介電彈性體需要高電壓，通常在1000伏以上。

“目前還沒有軟體機器人能在像人體內(nèi)部一樣的密閉空間里進行任務，這就是為什么我們認為磁驅(qū)動的概念有很大的希望，因為它是快速的，有力的，身體友好的，并且可以遠程控制。”文章的作者之一Yoonho Kim說道。

研究小組沒有使用相同方向的磁性粒子來制造結(jié)構(gòu)，而是尋找創(chuàng)造磁性“域”的方法——每個部分都有不同方向的磁性粒子。當暴露在外部磁場中時，每個部分都應該以不同的方式運動，這取決于粒子對磁場的響應方向。通過這種方式，小組推測結(jié)構(gòu)應該可以進行更復雜的連接和運動。

使用新的3D打印平臺，研究人員可以打印出一個結(jié)構(gòu)的部分或區(qū)域，并通過改變打印機噴嘴的電磁鐵方向來調(diào)整特定領域內(nèi)磁粒子的方向。該團隊還開發(fā)了一個物理模型，可以預測打印出來的結(jié)構(gòu)在磁場下會如何變形?？紤]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的方式，該模型可以預測整體結(jié)構(gòu)的變形或移動方式。

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

“我們開發(fā)了一個打印平臺和一個預測模型供其他人使用。人們可以設計自己的結(jié)構(gòu)和領域模式，用模型驗證它們，并打印它們來實現(xiàn)各種功能。通過對結(jié)構(gòu)、領域和磁場等復雜信息的編程，甚至可以打印出機器人等智能產(chǎn)品。”Zhao介紹道。