磁驱动软体机器由于其远程无绳、精确控制和快速响应等特性已被应用于软机器人、航空航天、医疗器械和柔性电子等多个领域。近年来，学者们提出了可重构磁驱动软体机器的概念，使其在不同环境下更具适应性和灵活性，以满足日益增长的应用场景和功能需求。然而，由于缺乏合理的结构设计和相应的一体化制造技术，实现磁驱动软体机器的精确重构仍然是一项技术挑战，严重限制了磁驱动软体机器的工程化应用。
青岛理工大学兰红波&朱晓阳课题组，联合华南理工大学章圆方副教授、上海交通大学王东副教授提出了可重构磁驱动软体机器一体化制造新技术，拓展了磁驱动软体机器的应用场景。本文提出了“像素化”概念，将磁驱动软体机器有效地划分为离散的像素点，并发展了一种基于墨水直写和熔融沉积3D打印的集成制造方法，从而实现了对重构过程中各个像素的精确独立控制。受折纸技术的启发，基板采用了弹性材料，并将各像素之间用折痕连接，从而改善了弯曲性能。由于像素和折痕区域由不同材料制成，机器弯曲部分的性能不再受像素区域材料硬度的影响。所提出的复合制造工艺既能确保机器分辨率，又能填充高浓度材料（图1）。其中，墨水直写工艺用于制备像素的基底、折痕和外框，而熔融沉积工艺则用于在像素中填充磁性致动材料（磁性颗粒的质量比高达80%）。实验结果表明，制备出的折痕辅助像素化可重构磁驱动软体机器具有出色的弯曲性能和重构精度（图2）并验证了其重构性（图3）。为了展示基于该思想设计的磁驱动软体机器的应用能力，模拟了自然界中昆虫的运动模式（图4）、设计了一种典型的磁控开关（图5）和七种不同的基本逻辑电路（图6）。与单一均质材料的可重构磁驱动软体机器相比，折痕辅助像素化设计提高了重构精度，同时增强了多项性能指标。该研究推动了结构、材料和工艺的集成增材制造，促进了可重构磁驱动软体机器性能的发展。相关研究工作以“Integrated 3D printing of reconfigurable soft machines with magnetically actuated crease-assisted pixelated structures”为题发表在Additive Manufacturing（DOI: 10.1016/j.addma.2024.104513）上。图1. 设备、工艺和原理：(A) 使用的打印设备，集成了墨水直写工艺（DIW）和熔融沉积工艺（FDM）；(B) 具体的工艺流程：首先通过DIW打印基板和机器外框，然后通过FDM填充可重构磁性材料，最后通过DIW实现封装；(C) 重构的基本原理，通过加热实现材料的相变，在外部磁场的作用下实现磁性颗粒在机器中的转向，最后通过相变锁定磁性的方向；为验证重构的可行性制备的双像素机器。图2. 性能测试：(A) 距离和深度的定义：距离是指从机器左端开始的水平测量值。深度指从封装表面向下延伸的折痕垂直测量值；(B) 剩余磁场强度分布；(C) 曲率半径与折痕深度之间的关系；(D) 机器在均匀磁场下不同折痕深度的弯曲行为仿真结果与实验结果的比较：(i) 深度=0.1 mm；(ii) 深度=0.3 mm；(iii) 深度=0.5 mm；(iv)深度=0.7 mm；(E) 无像素化设计的机器；(F) 无折痕像素化设计的机器；(G) 既有像素化设计又有折痕设计的机器：(i) 结构示意图；(ii) 80℃时距离与温度的关系；15 mm距离处加热到100℃时时间与温度的关系；(iii) 80℃时右侧像素中心的温度；(iv) 100℃加热40秒15 mm距离处的温度。图3. 16像素磁驱动软体机器的重构验证：(A) 16像素机器的实物图（初始状态下磁性颗粒的磁性是无序的）；(B) 构型1：沿中心线折叠；(C) 构型2：沿对角线折叠；(D) 构型3：铲子形态；(E) 构型4：拱桥形态；(F) 构型5：隧道形态；(G) 构型6：四角星形态：(i) 磁场分布；(ii) 实际驱动效果；(iii) 仿真结果。图4 运动效果演示：(A) 翻滚模式；(B) 爬行模式（比例尺：10 mm）图5. 磁控开关的设计：(A) 机器的示意图；(B) 平行开关阵列的示意图；(C) 用于制备的设备；(D) 构型1：第一个LED点亮；(E) 构型2：第二个LED点亮；(F) 构型3：第三个LED点亮：(i) 磁场分布；(ii) 激活结果的模型；(iii) 磁驱动的实际效果。图6. 逻辑电路设计：(A) 逻辑电路的爆炸视图；(B) 非（NOT）电路：(0)→1，(1)→0；(C) 与（AND）逻辑电路：(0,0)→0，(0,1)→0，(1,0)→0和(1,1)→1；(D) 或（OR）逻辑电路：(0,0)→0，(0,1)→1，(1,0)→1，(1,1)→1；(E) 或非（NOR）逻辑电路：(0,0)→1，(0,1)→0，(1,0)→0，(1,1)→0；(F) 与非（NAND）逻辑电路：(0,0)→1，(0,1)→1，(1,0)→1，(1,1)→0；(G) 异或（XOR）逻辑电路：(0,0)→0，(0,1)→1，(1,0)→1，(1,1)→0；(H) 同或（XNOR）逻辑电路：(0,0)→1，(0,1)→0，(1,0)→0，(1,1)→1。Youchao Zhang, Xiaoyang Zhu*, Huangyu Chen, Ruichen wang, Siqi Qiu, Houchao Zhang, Hongke Li, Zhenghao Li, Rui Wang, Fan Zhang, Guangming Zhang, Yuan-Fang Zhang*, Dong Wang*and Hongbo Lan*，Integrated 3D printing of reconfigurable soft machines with magnetically actuated crease-assisted pixelated structures，Additive ManufacturingDOI:10.1016/j.addma.2024.104513