多材料3D打印，讓您閉門造“車”，能動(dòng)的呦！
圖1. 微納米驅(qū)動(dòng)器（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
你知道圖中這個(gè)小家伙是什么嗎？它是一個(gè)微納米級(jí)小型驅(qū)動(dòng)器，可用于未來的醫(yī)學(xué)研究和治療。它能夠快速識(shí)別特定的病變細(xì)胞，并且，能在外部刺激下（比如光、熱、磁等）進(jìn)行有效的抓取。厲害吧？這種“微驅(qū)動(dòng)器”是指產(chǎn)生能量變換與信息變換的微執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它們是實(shí)現(xiàn)微小器件運(yùn)動(dòng)、微機(jī)器人自動(dòng)化作業(yè)等的關(guān)鍵，有望應(yīng)用于細(xì)小管道、高溫危險(xiǎn)區(qū)域的檢測(cè)維護(hù)以及醫(yī)療等方面。
但是，微驅(qū)動(dòng)器的制備很復(fù)雜，它們由多種材料組裝而成，需要在不同材料的基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)不同的功能。傳統(tǒng)的制造方法是通過模具設(shè)計(jì)，然后減材制造成型來完成，工藝設(shè)備很復(fù)雜。而且，一般的加工精度在100~200微米左右，相對(duì)較低。此外，這種制造方法還存在個(gè)性化定制困難、裝配難度大、制造速度慢以及原材料浪費(fèi)等諸多問題。因此，復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的多材料組合和裝配，是微驅(qū)動(dòng)器構(gòu)筑和研究所面臨的主要瓶頸問題之一。
那么，有沒有一個(gè)簡(jiǎn)便易行的解決方案呢？有，多材料3D打印制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的成型技術(shù)不同，3D打印技術(shù)能高度融合數(shù)字化三維模型技術(shù)，借助激光、數(shù)控等手段，通過將原料層層堆積的方式，無需采用任何模具，就可以直接實(shí)現(xiàn)有機(jī)高分子、金屬、陶瓷等材料快速打印成型。它能夠生產(chǎn)出傳統(tǒng)成型工藝難以制造、甚至無法制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，具有個(gè)性化、快速化、一體化、高精密和節(jié)約化等特點(diǎn)，尤其適合單件或小批量的任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件的精密制造。因此，選擇3D打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)微驅(qū)動(dòng)器的制備具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
日前，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所王曉龍研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)就在用3D打印技術(shù)制造微驅(qū)動(dòng)器方面取得了新成果。科研人員采用多材料3D打印技術(shù)，制造了一些包含磁性和非磁性部分的分段組合的柔性驅(qū)動(dòng)器。
我們知道，柔性驅(qū)動(dòng)器的組成如果全部是磁性材料，那么整個(gè)柔性器件會(huì)均勻受力進(jìn)而收縮成一團(tuán)，就像一堆磁力球，全都吸到一塊了；而如果全部都是非磁性材料的話，那驅(qū)動(dòng)器在磁場(chǎng)作用下就無法產(chǎn)生力的作用，那就像一堆塑料球，散落一地。所以，只有將兩種或者多種材料組合在一起，柔性驅(qū)動(dòng)器才能在特定部位、定點(diǎn)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的磁力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)揮它的作用。
普通的商用數(shù)字化處理（Digital Light Process，DLP）3D打印機(jī)只有一個(gè)盛放液態(tài)樹脂的料槽進(jìn)行光固化打印，無法進(jìn)行多種材料的自由切換。因此，研究人員在料槽底部加裝了一個(gè)可移動(dòng)的滑軌，這樣就能實(shí)現(xiàn)雙料槽的自由切換了（如圖2中動(dòng)圖所示）。此外，研究人員還研制了一種適用于DLP 3D打印的柔性樹脂，并在柔性樹脂中引入了Fe3O4納米顆粒（如圖2中的黑色部分），讓它具有磁致驅(qū)動(dòng)功能。
圖2. 雙（多）材料3D打印示意圖（上）及成型件照片和電子顯微鏡圖（下）。其中，藍(lán)色為硬材料，黃色為軟材料，黑色為磁性材料。
因此，使用這種改進(jìn)的3D打印機(jī)，以及所研制發(fā)展的柔性、磁性樹脂材料，研究人員可以很好地將含有磁性和非磁性的部分進(jìn)行分段組合，并一次性打印成型，實(shí)現(xiàn)了柔性驅(qū)動(dòng)器的免裝配制造（圖2）。
研究表明，這個(gè)驅(qū)動(dòng)器的磁性和非磁性兩種樹脂之間具有很好的結(jié)合力，能夠在磁場(chǎng)作用下進(jìn)行有效的磁性驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)彎曲、變形與運(yùn)送貨物等功能。
為了驗(yàn)證這個(gè)概念，研究人員還用這個(gè)技術(shù)打印制作了一個(gè)能夠遠(yuǎn)程控制的抓取器。這個(gè)抓取器由弧形的磁性材料（圖3中黑色部分）與拱形的非磁性材料（圖3中黃色部分）組成。磁性部分是產(chǎn)生磁力部分，而非磁性的較薄部分為整體受力彎曲點(diǎn)。通過調(diào)控磁場(chǎng)強(qiáng)度，就可以讓抓取器的磁性部分能夠自由的收縮與伸展，在此過程中實(shí)現(xiàn)抓取、傳送以及釋放的功能。
圖3. 多材料3D打印柔性驅(qū)動(dòng)器的磁致彎曲、變形與運(yùn)送貨物等功能演示。圖中，黃色部分為柔性打印樹脂，非磁性段；黑色部分為加入了四氧化三鐵納米顆粒的磁性樹脂，磁性段。Magnet：磁鐵；Deformation:形變；Match-like array:火柴狀陣列結(jié)構(gòu)；Gripper:抓取器。
圖4 基于黑色磁性段在磁場(chǎng)控制下的受力發(fā)生變形、彎曲以及抓取器抓取、運(yùn)送以及釋放物體的過程演示。圖中，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大時(shí)，黑色磁性頭收緊，把物體抓起來，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小時(shí)，黑色磁性頭分開，物體就被放下來
這種簡(jiǎn)單易行、通用的多材料3D打印技術(shù)將能夠很好地拓展3D打印在遠(yuǎn)程控制釋放與柔性機(jī)器人等方面的應(yīng)用。
該工作近期在線發(fā)表在 Adv. Mater. Interfaces（2017, DOI:10.1002/admi.201700629）上。工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃、蘭州化物所特聘人才和“一三五”重點(diǎn)培育項(xiàng)目以及甘肅普銳特科技有限公司的資助和支持。
