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3D打印磁控仿生軟體機器人實現(xiàn)器官級動態(tài)模擬

供稿人:白路歌、王玲 供稿單位:西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室  發(fā)布日期:2025-05-18

軟體機器人具有靈活性、適應性和生物相容性,在仿生學、醫(yī)療保健和機器人學領域有著巨大的應用潛力。傳統(tǒng)軟體機器人難以模仿生物器官的復雜薄壁結構(如腸道、心臟)及其動態(tài)行為,同時軟體機器人的現(xiàn)有增材制造方法(如DIW、DLP)在薄壁結構制造中存在易變形、低效率等問題。為了解決這個問題,來自哈爾濱工業(yè)大學的謝暉團隊提出了一種均勻磁場輔助立體光刻(UMA-SL)方法,可以打印具有曲面中空結構和可編程各向異性磁化性能的3D薄壁軟體機器人。

首先,研究人員開發(fā)了含NdFeB顆粒的光固化樹脂作為打印墨水,通過添加氣相二氧化硅提高了墨水分散穩(wěn)定性,通過優(yōu)化墨水的固化參數(shù)平衡了材料的機械性能與磁化密度;采用Halbach陣列+電磁螺線管組合,制造了高強度(80mT)、高均勻性(強度誤差小于5%,方向誤差小于1.5°)的3D可調磁場裝置(圖1)。進一步地,研究通過結合此3D可調磁場裝置和DLP光固化技術實現(xiàn)了磁性圖案的實時編程,能夠制造具有不同磁取向的3D結構。此外,研究通過有限元模擬優(yōu)化了結構中的支撐位置(避開應變集中點)和尺寸,解決了薄壁結構(壁厚200μm)的打印變形問題,實現(xiàn)了空心比0.92的薄壁結構的制造。

圖1 可編程三維均勻磁場輔助光固化打印方法

為了驗證制造得到的薄壁軟體機器人的功能,研究人員制造了一些仿生醫(yī)療機器人,包括人工心臟瓣膜、腸道模擬器等。研究根據人體心室的結構和功能特點,設計了一種磁性三維泵送結構,通過交變磁場的作用成功地模仿了生物脈動流機制;設計并制作了一種模擬腸道蠕動流體輸送的磁性三維擠壓結構,隨著驅動磁場的控制,磁性管道形成蠕動波,將流體推進到近端,直到擠出,成功模擬了模仿腸道的蠕動排便功能;研制了能夠模仿生物吸排行為的軟膠囊機器人,通過磁控變形實現(xiàn)了液體載運-靶向釋放功能,可以進行精確的藥物輸送和樣品收集。

圖2 (A)仿人體腸道的磁性三維擠壓結構;(B)仿生磁性三維泵送結構;(C)具有仿生吸入-排出行為的磁性軟膠囊機器人

綜上所述,該技術成功實現(xiàn)了具有中空結構、曲面和可編程各向異性磁化的3D薄壁軟機器的高質量打印制造,提升了設計自由度和制造精度和制造效率,突破了薄壁磁性軟機器制造的關鍵瓶頸,能夠模擬循環(huán)流體推進、單向流體輸送、蠕動變形、主動靶向貨物輸送和遞送以及液體活組織檢查收集,為仿生醫(yī)療機器人和微創(chuàng)診療工具的開發(fā)提供了新方法,具有重要生物醫(yī)學應用前景。

參考文獻:

  1. Meng Xinghe, Li Shishi, Shen Xingjian, et al. Programmable spatial magnetization stereolithographic printing of biomimetic soft machines with thin-walled structures [J]. Nature Communication, 2024, 15(1): 10442.
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