蜘蛛狀抓取器（六足結構）（上圖：打印前；下(xià)圖：打印後）

麻省理工(gōng)學院的工(gōng)程師們發明了一(yī)種柔軟的3D打印結構，其運動可以用磁力來控制，就像沒有弦的木偶一(yī)樣。能被磁化控制的複雜(zá)結構包括一(yī)個光滑的環狀褶皺，一(yī)個可以擠壓閉合的長管，一(yī)張可以折疊的面闆，還有一(yī)個蜘蛛狀的“抓鈎”，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日發表在《自然》雜(zá)志(zhì)上。

研究人員(yuán)使用了一(yī)種新型的、注入了微小(xiǎo)的磁性顆粒的3D打印墨水制造出以上結構。他們在3D打印機的噴頭上安裝了一(yī)個電磁體(tǐ)，當墨水通過噴頭輸入時，磁性微粒就會向單一(yī)方向擺動。通過控制結構中(zhōng)各個組分(fēn)的磁場方向，研究人員(yuán)制造出的結構和設備可以瞬間轉變成複雜(zá)的結構，甚至可以在各個部分(fēn)響應外(wài)部磁場時四處移動。

麻省理工(gōng)學院機械工(gōng)程系和土木與環境工(gōng)程系的Xuanhe Zhao教授表示，該技術可能被用于制造磁控生(shēng)物(wù)醫學設備。

該團隊的磁激活結構屬于軟驅動裝置的範疇——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(wù)和液晶彈性體(tǐ)在足夠的刺激下(xià)(如熱或光)發生(shēng)變形；氣動和液壓裝置可由泵入其中(zhōng)的空氣或水驅動；介電彈性體(tǐ)在電壓作用下(xià)拉伸。但是水凝膠、形狀記憶聚合物(wù)和液晶彈性體(tǐ)反應緩慢(màn)，需要一(yī)定時間才能内改變形狀。空氣和水驅動設備需要管道将它們連接到泵上，這使得它們在遠程控制應用中(zhōng)效率低下(xià)。介電彈性體(tǐ)需要高電壓，通常在1000伏以上。

“目前還沒有軟體(tǐ)機器人能在像人體(tǐ)内部一(yī)樣的密閉空間裏進行任務，這就是爲什麽我(wǒ)們認爲磁驅動的概念有很大(dà)的希望，因爲它是快速的，有力的，身體(tǐ)友好的，并且可以遠程控制。”文章的作者之一(yī)Yoonho Kim說道。

研究小(xiǎo)組沒有使用相同方向的磁性粒子來制造結構，而是尋找創造磁性“域”的方法——每個部分(fēn)都有不同方向的磁性粒子。當暴露在外(wài)部磁場中(zhōng)時，每個部分(fēn)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(xiǎo)組推測結構應該可以進行更複雜(zá)的連接和運動。

使用新的3D打印平台，研究人員(yuán)可以打印出一(yī)個結構的部分(fēn)或區域，并通過改變打印機噴嘴的電磁鐵方向來調整特定領域内磁粒子的方向。該團隊還開(kāi)發了一(yī)個物(wù)理模型，可以預測打印出來的結構在磁場下(xià)會如何變形。考慮到印刷材料的彈性、結構中(zhōng)域的格局以及施加外(wài)部磁場的方式，該模型可以預測整體(tǐ)結構的變形或移動方式。

除了一(yī)個波紋狀的圓環、一(yī)個自擠壓管和一(yī)個蜘蛛狀的抓地器，研究小(xiǎo)組還打印了其他複雜(zá)的結構，比如一(yī)組“增大(dà)”結構，這些結構迅速地沿着兩個方向收縮或擴張。

“我(wǒ)們開(kāi)發了一(yī)個打印平台和一(yī)個預測模型供其他人使用。人們可以設計自己的結構和領域模式，用模型驗證它們，并打印它們來實現各種功能。通過對結構、領域和磁場等複雜(zá)信息的編程，甚至可以打印出機器人等智能産品。”Zhao介紹道。