前沿| Nature 封面文章 : 逆天了! 3D打印机器人满地爬！

一. 引言

能够对如光、热、溶剂、电场和磁场等刺激作出响应而产生相关形变的软材料相关研究已经迅速发展，并广泛应用于柔性电子器件、软体机器人和生物医学等各种领域。目前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都有各自的局限，因此制造出复杂结构可编程的、对外界刺激做出快速响应的软体材料与机器人仍是本领域一大挑战。

基于此，麻省理工学院机械工程系副教授及活性软材料实验室主任赵选贺与其团队创造性地提出3D打印可编程磁畴软体材料并制造出一种可通过磁驱动实现复杂3D形状之间的快速转换的软体机器人。文章题目为“Printing ferromagneticdomains for untethered fast-transforming soft materials”，在6月14日以封面文章形式在Nature上发表。

二、内容

课题组使用包含嵌入含有机硅催化剂和交联剂的硅橡胶基体中的钕铁硼（NdFeB）合金微粒和气相二氧化硅纳米粒子作为3D打印的材料。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。在进行打印时在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，这样便可以对材料不同部分的磁性进行编程控制。

这种打印出的具有不同磁性分布的材料可在磁场中进行快速响应。课题组分别进行了材料的有限元建模分析与实验验证，发现结果相近。

随后课题组设计了一系列不同的二维结构以使其产生不同的磁响应。当编程更复杂的域图案时，即使是简单的几何图形也可以在施加的磁场下产生复杂的3D形状▼

随后课题组进行了三维结构的设计与打印。然而直接用混合打印墨水来打印3D结构时，由于沉积的细丝堆叠起来而导致结构不稳定，因此通常会出现困难。

为了确保更稳定的印刷过程，引入了由含有催化剂和热解法二氧化硅纳米粒子的有机硅树脂组成的支持油墨。打印时，支持油墨作为支撑相邻磁性油墨的逃逸支撑。磁性墨水完全固化后，支持墨水可通过溶剂清洗去除。支持油墨的使用以及随后打印带有编程域的3D结构的能力使其能够创建出高比例多层结构。

课题组根据不同功能需求设计出一系列的不同三维结构，构型如下▼

其中部分结构为负泊松比结构。负泊松比材料是指，一般具有弹性的物体在其纵向被拉伸时横向会缩短，而负泊松比材料恰恰相反，在受拉伸时材料在弹性范围内横向发生膨胀，而受压缩时材料的横向反而发生收缩，呈现一种整体拉伸或压缩的形态。

（负泊松比材料由于具有不同于普通材料的独特性质,在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势,尤其是材料的物理机械性能有了很大的提高,如提高了材料的剪切模量、材料的抗缺口性能、抗断裂性能以及材料的回弹韧性。另外,由于材料的泊松比影响到应力波的传输和反射,应力的消除和在裂纹附近的应力分布,所以负泊松比材料适合制造紧固件或安全带,在受外力时材料的横向膨胀可以抵消外力的作用,从而提高这些部件的抗负荷能力。因此，如果将负泊松比材料用于医学领域，可以很大程度上缓解由于动脉硬化、血栓等疾病对人体造成的危险。）

随后课题组又研究进一步展示了复杂形状变化所衍生出的多种功能，通过对不同材料施以不同的磁场可使其完成不同的功能。代表性的有移动跳跃、运动物体捕捉和移动送药▼

移动跳跃

移动送药

三. 应用

这种新型技术与方法可对一系列领域产生重大影响，或许能带来相关领域的技术性变革，其潜在应用包括：

1.生物医疗领域

可以在人体血管、食道、体腔中拍照、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。

2.生物芯片领域

生物芯片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。

3.3D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）。

4.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。

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