科學(xué)家首創(chuàng)4D打印“液體變形金剛”，有望用于制造人形機(jī)器人的智能關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)
文章來源： 更新時(shí)間：2025-03-31 15:30:38
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北京交通大學(xué)李振坤副教授主要致力于 4D 打印技術(shù)、智能材料及新型軟體機(jī)器人的研發(fā)。他首次提出了類似阿米巴蟲的新型軟體機(jī)器人——流變機(jī)器人（Rheobot）[1]，并創(chuàng)新性地提出一種磁控 4D 打印光固化技術(shù) [2]。
李振坤課題組開發(fā)的磁性水凝膠材料與光固化技術(shù)高度兼容，其不僅具有優(yōu)異的 4D 打印性能，還能在光固化過程中保持穩(wěn)定的性能。
研究人員在此基礎(chǔ)上提出了新型 4D 打印方法，通過將光固化與直接墨水書寫（DIW，Direct Ink Writing）打印結(jié)合，顯著縮短了磁性智能結(jié)構(gòu)的成型時(shí)間。
傳統(tǒng)的加熱固化方法需要數(shù)十分鐘，而磁控 4D 光固化技術(shù)將每層固化和充磁的時(shí)間縮短至幾秒甚至更短，極大提高了生產(chǎn)效率。
該研究提出了一種快速制造智能結(jié)構(gòu)的新方法，有望應(yīng)用于人形機(jī)器人，制造可變剛度的智能關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。基于該技術(shù)材料具備良好的環(huán)境適應(yīng)性，其還可應(yīng)用于深海探測(cè)等極端環(huán)境，用于原位制造或修補(bǔ)相應(yīng)的智能結(jié)構(gòu)。
此外，其能夠用于制備神經(jīng)修復(fù)的植入體，進(jìn)行體內(nèi)的原位 4D 打印，以促進(jìn)神經(jīng)再生和康復(fù)治療；另一方面，該方法有望用于胃腸道疾病的精準(zhǔn)治療，如藥物遞送和異物清除等。
填補(bǔ)領(lǐng)域空白，實(shí)現(xiàn)磁性水凝膠的 4D 打印
水凝膠因具有良好的生物兼容性，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。然而，傳統(tǒng)的軟材料執(zhí)行器往往存在響應(yīng)速度慢、控制精度低等問題。
該課題組將光固化與磁控 4D 打印技術(shù)有機(jī)融合，創(chuàng)新性地開發(fā)出一種新型的磁性水凝膠材料。這種材料不僅具備優(yōu)異的流變、磁化和光固化特性，還能在狹小的打印頭空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)從液態(tài)到固態(tài)的快速定型和磁化。
傳統(tǒng)的光固化方法通過光照使材料固化，再基于提拉法將其從樣品池中取出。然而，由于 4D 打印需要對(duì)局部材料的磁疇進(jìn)行“編程”，因此傳統(tǒng)方法并不適用。
研究人員查閱了大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)此前并沒有能夠用于原位 4D 打印的光固化水凝膠材料，也沒有相關(guān)的工藝。
為解決上述問題，該團(tuán)隊(duì)提出了一種直接擠出式打印的新方法，他們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)打印頭，一個(gè)用于擠出材料，利用材料自身的流變特性暫時(shí)固定形狀；另一個(gè)則跟隨其后，使用紫外光進(jìn)行徹底固化。
李振坤解釋說道：“它們就像臨摹字帖那樣，4D 打印頭每擠出一筆，紫外光就隨其描一遍，從而實(shí)現(xiàn)材料的固化。我們希望利用這種光固化的磁性水凝膠材料和 4D 打印工藝，制造出具有快速響應(yīng)和高精度控制的新型軟執(zhí)行器。”
4D 打印的難點(diǎn)在于，如何在狹小的打印頭空間內(nèi)，同時(shí)完成材料從液態(tài)到固態(tài)的定型和對(duì)材料充磁使其磁化。
水凝膠的屈服應(yīng)力通常難以提高，這使得材料在光固化前很難保持穩(wěn)定。于是，該課題組提出：是否可以讓材料內(nèi)部形成一個(gè)更立體的自組裝結(jié)構(gòu)？
為此，他們加入了一種二維材料——人造黏土。在這種材料中的磁性顆粒形成柱狀骨架，使人造黏土層板吸附在骨架上保護(hù)骨架，形成一種復(fù)合的、強(qiáng)度更強(qiáng)的微觀組織。
意外的是，課題組成員在一次“誤操作”中發(fā)現(xiàn)，其中一種成分與光固化單體的搭配使材料表現(xiàn)出高強(qiáng)韌性。后來，研究人員通過機(jī)理的探索，進(jìn)而確定了這種“好配方”。
研究人員將人造黏土與磁性顆粒（釹鐵硼顆粒）分別進(jìn)行有機(jī)改性，使二維層板結(jié)構(gòu)與微納米顆粒形成的柱狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行自組裝，進(jìn)一步提高了材料的屈服應(yīng)力與剪切變稀特性，使其具有良好的打印性能，并可以在紫外光照射前進(jìn)行預(yù)成型。
這種光固化的磁性水凝膠材料和 4D 打印工藝，使得固化時(shí)間從傳統(tǒng)的幾十分鐘縮短到了幾秒鐘，顯著提升了打印效率。
與傳統(tǒng)的基于硅基材料的磁性編程 4D 打印技術(shù)相比，該研究通過將打印過程中的顆粒充磁和磁疇定向兩個(gè)步驟“二合一”，實(shí)現(xiàn)了更快的打印速度和更高的精度，為制造具有快速響應(yīng)和高精度控制的新型軟執(zhí)行器提供了可能。
最終，相關(guān)論文以《基于光固化磁性水凝膠的磁性智能結(jié)構(gòu)的 4D 打印》（4D printing of magnetic smart structures based on light-cured magnetic hydrogel）為題發(fā)表在 Chemical Engineering Journal（IF 15.1）上 [2]。
北京交通大學(xué)本科生鄧成耀是第一作者，李振坤副教授擔(dān)任通訊作者。
計(jì)劃成立初創(chuàng)公司，將技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)業(yè)化推動(dòng)
目前桌面級(jí) 3D 打印機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于教學(xué)、展示和創(chuàng)意制作等領(lǐng)域。然而，市場(chǎng)上還尚未出現(xiàn)桌面級(jí) 4D 打印機(jī)。
李振坤帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了首款多功能桌面級(jí) 4D 打印機(jī)——Mag 4D Printer，其作為智能制造顛覆性技術(shù)代表入選了 2024 中關(guān)村論壇常設(shè)展，并已經(jīng)應(yīng)用于 AI 教育等場(chǎng)景。
“現(xiàn)在，我們正在與中國科技館合作，開發(fā)更多用于展示和 DIY 使用的桌面級(jí) 4D 打印設(shè)備。”李振坤說。
輕量化非金屬結(jié)構(gòu)兼具減輕重量和降低成本的優(yōu)勢(shì)，但其在應(yīng)用中存在強(qiáng)度不足的問題。李振坤團(tuán)隊(duì)結(jié)合磁控技術(shù)與熔絲制造 3D 打印，開發(fā)出一種獨(dú)特的增強(qiáng) 4D 打印方法，通過在打印過程中精確地排列復(fù)合纖維，使零件實(shí)現(xiàn)定向結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，可以替代人形機(jī)器人的部分金屬結(jié)構(gòu)件。
此外，利用 4D 打印技術(shù)與磁流變技術(shù)結(jié)合的變剛度軟體夾持方法，可以大幅度提高夾持重量與穩(wěn)定性，同時(shí)使軟體抓手具備更高的自適應(yīng)性，可滿足人形機(jī)器人的靈巧手需求。
據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)即將推出工業(yè)級(jí) 4D 打印機(jī) Mag4D Plus，為人形機(jī)器人、低空經(jīng)濟(jì)、航空航天等領(lǐng)域客戶提供輕量化、智能化構(gòu)件設(shè)計(jì)與制造一體化解決方案。
未來一兩年內(nèi)，他們計(jì)劃成立初創(chuàng)公司將技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)端，包括與醫(yī)療康復(fù)研究學(xué)者與單位合作，共同開發(fā)可定制化的 4D 打印手部康復(fù)產(chǎn)品，同時(shí)基于該技術(shù)開發(fā)人形機(jī)器人可變剛度關(guān)節(jié)等產(chǎn)品。
“液體變形金剛”：像阿米巴蟲那樣靈活“變變變”
李振坤本科就讀于北京科技大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化專業(yè)，碩士選擇了材料科學(xué)與工程專業(yè)，博士畢業(yè)于北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，師從李德才教授，主要從事磁控智能材料的理論與應(yīng)用研究。此后，他在清華大學(xué)機(jī)械系擔(dān)任博士后和助理研究員。
他的研究方向受到軟物質(zhì)提出者、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主皮埃爾-吉勒·德熱納（Pierre-Gilles de Gennes）的啟發(fā)，德熱納曾設(shè)想一種由磁場(chǎng)調(diào)控相變的智能軟物質(zhì)體系。
李振坤回憶道：“這個(gè)概念深深地吸引了我，我堅(jiān)信未來軟物質(zhì)智能化將是一條革命性的道路，它會(huì)打破現(xiàn)有機(jī)器人等高端裝備主要采用剛性材料制作且驅(qū)動(dòng)與結(jié)構(gòu)分離的固有范式。”
現(xiàn)有的許多軟體機(jī)器人主要基于彈性體（如橡膠）的柔軟性，這種材料可以模仿像章魚這樣的高等軟體動(dòng)物的連續(xù)變形特性。這種軟體機(jī)器人可以替代傳統(tǒng)的剛性執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如在抓取任務(wù)中表現(xiàn)出更好的適應(yīng)性，不需要精確的編程和傳感器控制。然而，這種變形模式是固定的，橡膠的變形和恢復(fù)方式是在設(shè)計(jì)之初就已經(jīng)設(shè)定好的。
他意識(shí)到，在更廣泛的移動(dòng)場(chǎng)景中，橡膠等彈性體的變形方式并非最柔軟的形式。受單細(xì)胞生物阿米巴蟲（又稱“變形蟲”）的啟發(fā)，2023 年李振坤首次提出流變機(jī)器人的概念，這是一種融合了智能材料與 4D 打印技術(shù)的新型機(jī)器人 [1]。
從材料方面來看，流變機(jī)器人采用了該課題組自主研發(fā)的磁控流變記憶材料，這種材料不僅對(duì)外界刺激具有響應(yīng)性，還表現(xiàn)出一定的記憶性。
它能夠在外界磁場(chǎng)的作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式，通過磁場(chǎng)控制不同部位材料在凝膠與溶膠之間轉(zhuǎn)化，從而調(diào)整機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)類似阿米巴蟲的運(yùn)動(dòng)。
得益于磁控流變記憶材料對(duì)外界刺激具有高響應(yīng)性，流變機(jī)器人在應(yīng)對(duì)環(huán)境變化時(shí)能夠迅速做出調(diào)整，從而提高了它的適應(yīng)性和靈活性。
圖丨流變機(jī)器人（來源：李振坤）
在動(dòng)作與控制方面，流變機(jī)器人能夠模仿單細(xì)胞生物的偽足運(yùn)動(dòng)行為，具備無限多自由度和連續(xù)變形能力，使其在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時(shí)可以靈活應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)，如體內(nèi)治療中的精準(zhǔn)控制、軍事偵察中的隱蔽行動(dòng)等。
流變機(jī)器人借助嵌入其中的柔性傳感器，能夠?qū)?nèi)部材料的分布及流動(dòng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，進(jìn)而達(dá)到真正的智能控制效果。這種控制能力使得機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)能夠自主調(diào)整姿態(tài)和動(dòng)作，提高其效率和準(zhǔn)確性。
目前，該團(tuán)隊(duì)正在積極開展流變機(jī)器人的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，并正在與北京大學(xué)人民醫(yī)院合作，嘗試將流變機(jī)器人應(yīng)用于腫瘤治療，特別是讓其在血管中捕捉循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC，circulating tumor cell）。CTC 是腫瘤晚期患者血液中循環(huán)的腫瘤細(xì)胞，可能在任何部位“安家”，因此治療難度極大。
如果能夠制造出類似小液滴的流變機(jī)器人，并在其表面附著敏感蛋白（類似抗體），使其能夠在血液循環(huán)中定向?qū)ふ野┘?xì)胞，并利用交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁熱效應(yīng)，使流變機(jī)器人局部溫度升高至 50℃，從而具備實(shí)現(xiàn)殺滅癌細(xì)胞效果的可能性。
此外，流變機(jī)器人還有望作為“體內(nèi)創(chuàng)可貼”用于治療胃出血。借助醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，流變機(jī)器人可以精準(zhǔn)到達(dá)出血點(diǎn)，原位完成凝固，并攜帶止血藥物加速傷口愈合，減少患者痛苦。
“盡管我們與醫(yī)學(xué)專家討論認(rèn)為這一治療方案已經(jīng)具備較高可行性，但仍需先進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，再逐步推進(jìn)到人體試驗(yàn)。”李振坤說。
未來，流變機(jī)器人技術(shù)有望與 AI 進(jìn)一步結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更加智能、自主的控制和決策。通過 AI 算法的優(yōu)化和訓(xùn)練，流變機(jī)器人可以更加精準(zhǔn)地感知環(huán)境、預(yù)測(cè)變化，并作出相應(yīng)的調(diào)整。這種結(jié)合將極大地拓展流變機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景和性能。
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