清華大學采用數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術開發(fā)多功能磁力軟體機器人

2025年4月29日，南極熊獲悉，清華大學的研究人員開發(fā)了一種先進的數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術，該技術能夠一次性制造出由不同材料構成的復合磁性結構。此外，他們還利用這項技術成功設計并打印出一個集硬磁材料和超順磁材料于一體的軟體機器人。

△相關研究成果已發(fā)表在《Cyborg and Bionic Systems》雜志上，證明了DLP 3D打印技術在擴展多功能軟機器人設計和制造方面的巨大潛力（傳送門）

制造二維或三維磁結構的方法多種多樣。然而，傳統(tǒng)工藝如模具輔助成型和紫外光刻受限于模具形狀和材料類型，難以制造復雜磁結構。這些方法通常要求結構成分均勻，使得使用多種材料制造多功能磁結構變得復雜。盡管多步組裝和材料鍵合技術能夠?qū)⒉煌�材料組合用于各種應用，但它們在確保制造結構的尺寸范圍和精度方面存在挑戰(zhàn)。

△多材料一步打印工藝和打印樣品的示意圖和SEM圖像。（A）多材料一步打印工藝示意圖，展示了打印過程中3個不同樹脂槽的順序切換，從而在單個步驟中實現(xiàn)復合結構。（B）含磁性顆粒樹脂在紫外光下的固化過程示意圖。 （C）打印樣品橫截面的SEM圖像，表明層高均勻且打印穩(wěn)定。 （D）打印樣品的EDS圖像，描繪了樣品橫截面上的元素分布

清華大學的汪家道教授提出了先進的數(shù)字光處理技術，該技術能夠在單次打印過程中制造出由不同材料組成的復合磁性結構。利用這項技術，汪教授的團隊成功創(chuàng)建了多種復合結構，包括磁性軟硬材料復合體、具有不同磁濃度梯度的復合材料，以及硬磁-超順磁復合材料。

△使用標準剛性樹脂和含有NdFeB及Fe3O4顆粒的軟樹脂通過3D打印技術制造的多種樣品，包括用于驗證打印精度的基準樣品、具有不同磁性顆粒比例的多層結構、一次性打印的薄壁矩形結構、軟夾持裝置和杯形組合結構等

汪教授進一步解釋道，這項研究介紹了磁驅(qū)動軟體機器人的一次性多材料3D打印創(chuàng)新概念和技術原理。研究內(nèi)容涵蓋了打印結構的機械和磁特性，并展示了幾個應用示例。研究團隊還詳細探討了由硬磁和超順磁材料構成的軟體機器人的設計和驗證，重點研究了磁疇分布和超順磁材料的熱效應。他們評估了機器人在表面移動、克服障礙、捕獲和運輸物體，甚至在液體環(huán)境中游泳的能力，并通過多物理場耦合仿真分析了它們的游泳姿勢。

△圖片顯示了軟體機器人的平面運動和功能驗證結果。在爬行姿態(tài)實驗中，機器人以每秒0.31個體長的速度沿著磁場方向移動。滾動姿態(tài)實驗中，機器人實現(xiàn)了每秒1.88個體長的滾動速度。在豬胃模型內(nèi)，機器人能夠沿指定軌跡滾動。功能驗證包括越障、抓取和運輸目標，機器人的運動路徑用紅色軌跡表示

清華大學的研究人員指出，解決了強磁性結構與離型膜之間的粘附問題、固化深度減少以及磁性粒子沉降等問題，并通過生物相容性測試后，該技術最終可用于設計能夠?qū)⑺幬镏苯虞斔偷缴�物組織內(nèi)傷口部位的膠囊機器人。

本研究得到國家自然科學基金項目（NSFC）資助，項目編號：52275200 和 52205312。