Nature封面: MIT赵选贺团队打印磁性智能软机器

知社学术圈 高分子科学前沿 2018-06-14


生命的一个重要特征是对外界的刺激做出智能的响应。制造具有激励响应功能的材料和机器 —— 特别是和生物体相似的活性软材料和软机器 —— 可以帮助甚至替代人体实现各种功能,会对社会产生重大影响。活性软材料和软机器也是当前多学科交叉研究的一大热点。

现有的活性软材料和软机器包括介电橡胶 、水凝胶、形状记忆高分子、液晶高弹体以及气压或液压软机器等,但是他们都有各自的局限。例如介电橡胶通常要千伏高电压驱动,水凝胶、形状记忆高分子、液晶高弹体响应速度一般较慢,而气压或液压软机器需要外加泵和导管。另外,如何制造可编程的、复杂机构的、对外界刺激做出智能响应的软机器仍是本领域一大挑战。


为解决上述局限和挑战,麻省理工学院 (MIT) 赵选贺团队首次提出打印可编程磁畴软材料和软机器,研究成果题为“Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials”,今天以封面文章形式在Nature线上发表 [Nature, 558, 274 (2018)],

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0185-0。


在这一工作中,赵选贺团队设计了磁活性3D打印油墨,并用打印的方式控制复杂磁畴的分布和编程。新型油墨是一个含有钕铁硼微粒和二氧化硅纳米粉末的硅树脂弹性胶体材料(图一)。其中二氧化硅纳米粉末与硅树脂按特定比例的混合决定了油墨3D打印的可行性, 而钕铁硼微粒赋予打印的软材料和软机器磁活性。赵选贺团队创新地在3D打印机喷头上外加一个可控电磁铁,通过打印同时磁化钕铁硼微粒来编辑磁畴在软材料和软机器中的分布 (图一)。

图一: 3D打印可编程磁畴的混合硅树脂材料的过程示意图

根据此3D打印方法,赵选贺团队打印了一系列具有任意复杂结构和任意磁畴分布的软机器 —— 从一维到三维 (图二)。编程好的磁畴会根据外加磁场旋转,使整个软机器做出快速的复杂的形变。赵选贺团队还针对含磁畴的软材料,开发了可预测的物理模型和有限元仿真程序 (参见文章附录:https://www.nature.com/articles/s41586-018-0185-0)。在模型和仿真的指导下,赵选贺团队可以在电脑中反复设计软材料的结构、磁畴的分布以及外磁场加载;在确定设计方案后,一次打印成型。磁性智能软机器的响应速度和功率密度是其他3D打印的活性软材料和机器的10倍以上。

图二: 一维,二维,及三维的可编程磁畴软材料驱动图。


在接受知社采访时,美国工程院院士、中国科学院外籍院士、美国西北大学黄永刚教授对这一工作大加赞赏:

“Although extensive efforts have been made in the design and fabrication of shape-programmable soft materials, fast and fully reversible actuation between targeted 3D shapes has remained a challenge. Xuanhe's work creatively introduces programmed ferromagnetic domains in soft materials, through a specially developed 3D printing technique, to enable magnetically-controlled, fast, remote, 3D transformation. The results are very impressive, as evidenced, for example, by the metrics of actuation speed and power density that exceed substantially those of the previously reported 3D-printed active materials. This work also provides a good paradigm that combines effectively the material design and the structure design to achieve programmable shape transformations and even functional reconfiguration. It can be anticipated that the developed printing method will enable promising applications in many emerging areas, such as soft robotics and flexible electronics.”

的确,磁性智能软机器以及3D打印方法、模型和材料预期会对多个领域产生深远的影响。

生物医疗领域

可以在人体血管、食道、体腔中照相、手术以及释放药物的智能软体机器人对生物医疗领域有着广泛的重要的影响。磁性智能软机器具有无绳、无需储能设备、快速有力形变、可编程遥控以及高生物相容性等优点,是体内医疗机器人的理想选择。例如,文章中提出的蜘蛛形机器人可通过巧妙的设计结构、编辑磁畴、控制外加磁场的强度与方向变化,来实现各种不同的变形、运动和功能。包括爬行、滚动、对物体的抓持与释放,药物传送等。


生物芯片领域

生物芯片(Organ-on-chip)在药物筛选领域已经展示其优势。人体内的器官大多处于动态形变的环境,例如心跳,肺伸缩,肠胃蠕动等。在生物芯片上模拟这些动态环境需要可以复杂快速形变且具有生物兼容的软材料。由于和肌肉相似的驱动力和速度、可编程遥控以及高生物相容性等优点,磁性智能软机器可以在生物芯片中模拟人体动态环境。另外,人们还可以调节智能软机器的硬度来更好的匹配相应器官。

3D打印领域

由于混合硅树脂油墨的高粘度低模量的机械特性,传统的3D打印方式无法在层叠打印过程中使油墨不受重力影响保持原本的结构与形状。通过支撑结构打印(supportive ink)的技术,赵选贺团队提出的打印方案可以实现多层叠堆积结构的(high-aspect-ratio)3D打印。该技术可以广泛的应用到各种软材料和生物材料的3D打印(例如,水凝胶,细胞,细菌等)。


负泊松比材料领域

负泊松比材料受拉伸时, 在非加载方向同时发生膨胀; 而受压缩时, 在非加载方向反而发生收缩。因为其在可变机械性能和可变结构上的优势,负泊松比材料在许多科学和技术领域受到了关注。传统的负泊松比材料仅适用于接触式的机械加载,这大大局限了这种材料的优势。赵选贺团队实现了多种负泊松比材料变形的非接触远程控制,开拓了该材料的研究和应用的新空间。

可重构电子领域

可重构电子 是一种通过可控机械形变来实现电器功能的新型电子仪器。现有的工作大多通过预拉伸的弹性基底实现可重构电子。赵选贺团队使用多材料打印的方法,可以在磁性智能软机器上进一步打印出电路并排布LED等电子功能原件。在外加磁场的遥控下,软机器可以变形成不同状态,同时达到不同电器功能 (图三)。

图三: 磁敏感的可重构电子器件示例。通过编程磁畴和控制外界磁场方向,可实现两种电路激活状态。

固体力学领域

在传统固体力学中,物体的静态转动不产生能量,柯西应力矩阵是对称的。由于磁畴的存在,铁磁软材料在外加磁场中转动可以产生磁势能,而且磁柯西应力矩阵和弹性柯西应力矩阵都可以是不对称的。铁磁软材料的这些新的性能和现象,以及它的非线性形变,为固体力学领域提出了新的问题和研究方向。而固体力学的基础研究结果,可以直接影响以上讨论的磁性智能软机器的各个应用领域。

作者的展望

赵选贺博士展望这项工作的潜力: "每天我们都把大量数据以编辑磁畴的形式存入计算机硬盘。使用报道的新方法,我们现在也可以将数据以打印磁畴和三维结构的形式融入到材料和机器中。在磁畴,软材料结构以及外加磁场的共同作用下,依托于数据的新一代智能软机器会给科学技术以及我们的生活带来哪些惊喜呢?我们期待与各个学科专家合作共同开拓智能软机器的未来"

更多专家点评

美国布朗大学资深力学教授ASME Daniel C. Drucker Medal 和 SES Engineering Science Medal 获得者Kyung-Suk Kim 点评该工作:

“The authors have provided unprecedented versatility in designing and fabricating shape-programmable soft materials by inventing ingenious method of printing ferromagnetic domains in soft materials. This new technology will open up new opportunities for applications of remote actuation in soft robotics and flexible-device engineering.”

美国亚利桑那州立大学姜汉卿教授指出:

“3D打印与智能材料的结合代表了一种突破性的设计新型智能软材料的方法。和传统的方法相比,3D打印可以实现对材料精准的可编程控制。赵选贺教授研究组展示,通过对磁畴在二维平面上的设计,可以快速用磁场来远程产生很多复杂的三维结构。这种精准智能软材料极大地拓展了人们对软材料的想象空间。随着进一步提高磁畴的面内分布精度,相信这种方法可以制备出具有更小尺寸和更快反应速度的智能软材料。”

清华大学张一慧教授则表明:

“赵选贺教授课题组开创性地建立了一种在软材料中形成可编程磁畴结构的3D打印方法,进而巧妙地利用磁畴结构对外加磁场的响应,实现了复杂三维结构的快速变形及几何重构,是智能软材料领域的一个突破性进展。该团队发明的3D打印主动响应材料在驱动变形时,同时具有响应速度快、功率密度高、变形可逆、可远程操控等众多优势,在生医器件、柔性电子、软体机器人等领域具有广阔应用前景。此项工作从材料设计和制备方法的源头创新出发,很好的展示了材料制备、结构设计和功能实现的有机融合,以及材料、力学、物理、化学、机械等学科的深度交叉,充分体现了学科交叉的巨大潜能。”

来源:知社学术圈

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