供稿人:王慧超 连芩 发布日期：2018-10-04
柔性材料的三维结构能够在光、热、溶剂、电场和磁场的刺激下发生转变，常被用于柔性电子设备、软体机器人技术和生物医学领域。
美国麻省理工学院的赵选贺等提出了一种3D打印的柔性结构，在柔性材料中存在可编程铁磁畴，通过磁驱动可实现复杂三维形状的快速变换。其主要过程是打印时在喷嘴周围施加磁场，可控制打印材料中可磁化微粒的磁极方向，实现在复杂的3D打印柔性材料结构中编程排布铁磁畴，从而实现一种新的转换模式，例如远程控制具有负泊松比的机械超材料的拉胀行为。
研究中所使用的3D打印墨水由可磁化的钕铁硼（NdFeB）微粒和气相二氧化硅纳米粒子组成，嵌入在含硅氧烷催化剂和交联剂的硅橡胶基质中。在打印过程中，通过在喷嘴周围放置永久磁铁或电磁线圈控制挤出细丝中磁性微粒的磁极方向，如图1a所示，可以打印出具有磁性的复杂的三维结构。在打印完成的结构上施加一定的磁场，将会对结构中的磁性微粒产生力的作用，造成宏观上结构的变形。例如，在打印是通过变换磁场方向，使挤出直线细丝中磁性微粒的磁极如图1b所示，在施加一定方向的磁场后，直线细丝将变为“m”型形状，时间仅需要0.1秒。图1c为有限元模拟结果，与实验结果图1d相似。
图1 3D打印柔性材料中铁磁畴的设计 （a）3D打印过程的原理图和材料成分；（b）挤出细丝磁性微粒磁极示意图；（c）有限元模拟施加磁场情况；（d）实验结果
除了上述的挤出直线细丝结构外，作者还提出了二维平面结构向三维复杂结构的转换。如图2a和2d，作者设计了具有相同几何形状但铁磁畴分布不同的二维圆环结构，在垂直于圆环平面方向施加磁场，两个二维圆环结构将变为不同形状的三维结构。在图2g和2f中，作者设计了比较简单的三维矩形结构，结构中铁磁畴的磁极方向由编程确定，通过施加一定方向的磁场，简单的矩形结构将变为复杂的三维结构。而且，其响应时间仅为0.30秒，远远低于形状记忆聚合物等其他材料。
图2 具有特定排布的铁磁畴的二维、三维结构在磁场下发生形状的变换 （a-c）铁磁畴磁极方向均匀分布的环形结构；（b-f）铁磁畴磁极方向分布不均匀的环形结构；（g-l）简单的长方体排布三维结构
上述3D打印方法可拓展至使用不同类型的弹性体、水凝胶基质和磁性颗粒组成的打印墨水。在3D打印柔性材料时编程排布材料中铁磁畴的磁极方向，打印完成后施加一定的磁场即可实现三维结构的变换，其响应时间也是极短的。通过复杂三维结构形状的变化实现各种各样的功能，包括可重构柔性电子技术、可以跳跃的机械超材料以及可以爬行、翻滚、捕捉快速移动物体和运输药物的软体机器人。为柔性电子设备、生物医学设备和软体机器人的应用提供了新的可能性。