供稿人：白路歌、王玲 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2025-05-18
软体机器人具有灵活性、适应性和生物相容性，在仿生学、医疗保健和机器人学领域有着巨大的应用潜力。传统软体机器人难以模仿生物器官的复杂薄壁结构（如肠道、心脏）及其动态行为，同时软体机器人的现有增材制造方法（如DIW、DLP）在薄壁结构制造中存在易变形、低效率等问题。为了解决这个问题，来自哈尔滨工业大学的谢晖团队提出了一种均匀磁场辅助立体光刻（UMA-SL）方法，可以打印具有曲面中空结构和可编程各向异性磁化性能的3D薄壁软体机器人。
首先，研究人员开发了含NdFeB颗粒的光固化树脂作为打印墨水，通过添加气相二氧化硅提高了墨水分散稳定性，通过优化墨水的固化参数平衡了材料的机械性能与磁化密度；采用Halbach阵列+电磁螺线管组合，制造了高强度（80mT）、高均匀性（强度误差小于5%，方向误差小于1.5°）的3D可调磁场装置（图1）。进一步地，研究通过结合此3D可调磁场装置和DLP光固化技术实现了磁性图案的实时编程，能够制造具有不同磁取向的3D结构。此外，研究通过有限元模拟优化了结构中的支撑位置（避开应变集中点）和尺寸，解决了薄壁结构（壁厚200μm）的打印变形问题，实现了空心比0.92的薄壁结构的制造。
图1 可编程三维均匀磁场辅助光固化打印方法
为了验证制造得到的薄壁软体机器人的功能，研究人员制造了一些仿生医疗机器人，包括人工心脏瓣膜、肠道模拟器等。研究根据人体心室的结构和功能特点，设计了一种磁性三维泵送结构，通过交变磁场的作用成功地模仿了生物脉动流机制；设计并制作了一种模拟肠道蠕动流体输送的磁性三维挤压结构，随着驱动磁场的控制，磁性管道形成蠕动波，将流体推进到近端，直到挤出，成功模拟了模仿肠道的蠕动排便功能；研制了能够模仿生物吸排行为的软胶囊机器人，通过磁控变形实现了液体载运-靶向释放功能，可以进行精确的药物输送和样品收集。
图2 （A）仿人体肠道的磁性三维挤压结构；（B）仿生磁性三维泵送结构；（C）具有仿生吸入-排出行为的磁性软胶囊机器人
综上所述，该技术成功实现了具有中空结构、曲面和可编程各向异性磁化的3D薄壁软机器的高质量打印制造，提升了设计自由度和制造精度和制造效率，突破了薄壁磁性软机器制造的关键瓶颈，能够模拟循环流体推进、单向流体输送、蠕动变形、主动靶向货物输送和递送以及液体活组织检查收集，为仿生医疗机器人和微创诊疗工具的开发提供了新方法，具有重要生物医学应用前景。