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我系吴德志教授提出4D电液打印技术实现磁驱动机器人可编程赋能制造

来源: 发布时间:2021年12月29日 17:37 点击数:

我系吴德志教授等提出一种4D电液打印技术一步式实现磁性软体机器人的可编程赋能制造,解决传统打印技术的工艺缺陷。相关研究以“Soft magnetic composites for highly deformable actuators by four-dimensional electrohydrodynamic printing”为题发表于Composites part B: Engineering (DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109596,IF: 9.078)期刊。

多模态、多功能的磁驱动软体机器人是未来快速响应机器人的重要发展方向。然而,磁驱动软体结构的可编程图案化制造是一大难题。传统磁性墨水4D打印包括紫外光刻、激光直写、墨水书写等已被尝试,但都存在许多问题。紫外光刻和激光直写技术对可打印的基体材料要求严苛,不可避免地增加制造成本、限制应用范围。墨水书写工艺几乎可打印任何基体材料,但通常存在供液延迟、堵塞以及墨水突然释放畸变沉积纤维等工艺缺陷。

1. 4D电液动力打印系统

有鉴于此,提出了基于韦森堡效应的4D电液打印技术,实现高粘度磁性复合材料稳定连续的赋能制造,解决高粘度磁性复合材料基于直接墨水书写制造面临的工艺缺陷,为多模态、多功能的磁驱动软体机器人制造提供新的思路。

该课题组开发了基于韦森堡效应的4D电液动力打印系统(图1),旋转银微针诱导产生微尺度韦森堡效应,输送高粘度磁性墨水;定向磁场重新定向墨水中磁颗粒极性,赋予打印结构磁极性;施加的强准静电场辅助克服磁性墨水的流阻和微磁力;结合运动平台,可图案化赋能打印磁性复合材料结构。

实验考察了电机转速、静电场强度、微针与喷头直径比等关键工艺参数对打印纤维的影响规律(图2a-c)。为证实所提出的电液动力打印策略的优越性,对比实验电液打印和墨水书写两种工艺,结果表明,电液打印工艺沉积的结构直径小于喷头内径,而墨水书写工艺沉积的结构直径大于喷头内径(图2d-e)。此外,通过调控电机转速或静电场强度可实现连续变直径的纤维沉积(图2f-g)。同时,研究展示了磁驱动软体致动器和仿生尺蠖机器人。

2. 关键工艺参数对打印纤维的影响规律

视频1. 磁驱动软体致动器

视频2. 磁驱动仿生尺蠖机器人

该论文第一作者为博士生王中宝,研究工作得到了孙道恒教授、吴德志教授和加州大学伯克利分校林立伟教授联合指导。该研究受国家自然科学基金项目(52075464, 91648114)和深圳市科技项目(JCYJ20180306172700388)的资助。