學(xué)術(shù)分享 I 3D打印軟磁折紙驅(qū)動器用于無創(chuàng)靶向給藥及爬行機(jī)器人

該研究提出一種結(jié)合 3D 打印技術(shù)與軟磁響應(yīng)材料的折紙驅(qū)動器設(shè)計，旨在解決傳統(tǒng)驅(qū)動器在無線控制、靈活性及功能集成上的局限。研究采用定制化直接墨水書寫（DIW）3D 打印系統(tǒng)，以含高至 75wt.% 釹鐵硼（NdFeB）顆粒與紫外光固化彈性體的墨水為原料，通過紫外光與熱固化雙機(jī)制制備軟磁響應(yīng)薄膜，該薄膜兼具強(qiáng)磁響應(yīng)性、高柔韌性及可編程極性。通過系統(tǒng)測試不同顆粒濃度薄膜的力學(xué)性能、磁學(xué)性能及生物相容性，確定 75wt.% 濃度為最優(yōu)配方?；谠摬牧?，研究開發(fā)兩款折紙驅(qū)動器：一款采用 Miura-ori 折紙結(jié)構(gòu)，可折疊封裝于明膠膠囊中口服給藥，在胃內(nèi)自主展開并通過外部磁場精準(zhǔn)固定于潰瘍部位，實現(xiàn)無創(chuàng)靶向給藥；另一款基于雙 Miura-ori 結(jié)構(gòu)的爬行機(jī)器人，可通過磁場強(qiáng)度與頻率調(diào)節(jié)速度，能跨越 7 毫米障礙并適應(yīng)沙地等復(fù)雜地形。該研究為生物醫(yī)學(xué)與機(jī)器人領(lǐng)域提供了無線可控、多功能的 actuator 解決方案，具有廣泛應(yīng)用前景。

2025-12-27 09:04:07深圳森工科技有限公司

發(fā)布時間：2025-12-27?? 瀏覽量：5?? 分享到：

一、研究背景

傳統(tǒng)剛性磁驅(qū)動器因剛度失配易脫落，而現(xiàn)有軟磁復(fù)合材料3D打印受限于低顆粒含量（<50 wt%）導(dǎo)致磁響應(yīng)弱、結(jié)構(gòu)單薄。折紙結(jié)構(gòu)可將簡單直線運動轉(zhuǎn)化為復(fù)雜變形，但如何兼顧高顆粒含量、快速成型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與生物兼容性仍是空白。

二、研究內(nèi)容

材料-工藝協(xié)同：開發(fā)UV光-熱雙固化DIW 3D打印，實現(xiàn)75 wt% NdFeB/硅膠復(fù)合材料一次成型（厚度0.8 mm）。

圖1. 制造流程與工作機(jī)理：A) DIW 3D打印裝置；B) 面內(nèi)/厚度方向磁化；C) 旋轉(zhuǎn)與滑移兩種驅(qū)動模式；D) 胃貼片與爬行機(jī)器人概念。

性能表征：系統(tǒng)測試33–75 wt%四組配方的力學(xué)、磁學(xué)及生物兼容性（體外心肌細(xì)胞+體內(nèi)大鼠皮下植入）。

圖2. SEM截面與表面：四組配方顆粒均勻分散，無嚴(yán)重團(tuán)聚。

圖3. 力學(xué)、磁學(xué)與密度表征：A) 楊氏模量隨顆粒含量升高；B) 密度仍低于金屬；C) 磁滯曲線；D) 磁力-距離關(guān)系；E) 樣品#4磁場強(qiáng)度隨距離衰減；F) 75 wt%樣品可360°彎折。

圖4. 生物兼容性：A-C) 體外心肌細(xì)胞活/死與代謝活性無顯著差異；D-G) 大鼠皮下7天免疫組化顯示無顯著炎癥反應(yīng)。

折紙-軟磁融合設(shè)計：

厚度方向磁化 → 線性“滑移”驅(qū)動，用于Miura-ori胃貼片，實現(xiàn)膠囊-口服-磁導(dǎo)航-固定-緩釋。

圖5. 胃潰瘍給藥折紙機(jī)器人：A) 展開狀態(tài)；B) 半折疊；C) 膠囊封裝；D-E) 折疊角α與收縮比；F) 工作流程；G-H) 體外胃模型導(dǎo)航與固定實驗。

面內(nèi)方向磁化 → 旋轉(zhuǎn)型“抬落”驅(qū)動，用于雙Miura-ori爬行機(jī)器人，可越7 mm障礙、適應(yīng)沙地。

圖6. 雙Miura-ori爬行機(jī)器人：A) 結(jié)構(gòu)示意；B) 頭部抬升；C) 抬升高度-磁場曲線；D) 單步爬行序列；E) 速度與磁場強(qiáng)度/頻率關(guān)系；F) 越7 mm障礙；G) 沙地爬行（底部加滑片）。

概念驗證：構(gòu)建體外胃模型與地形平臺，量化折疊-展開比（0.992）、爬行速度（15.2 mm s?1）及越障能力。

三、研究結(jié)論

75 wt%配方兼顧高磁矩（≈1.26 T飽和）、柔性（360°彎折無裂紋）與生物安全（無顯著炎癥）。
軟磁折紙驅(qū)動器在無需纜線/氣源條件下，實現(xiàn)無線遠(yuǎn)程操控、大變形、高比功率，為無創(chuàng)給藥與復(fù)雜環(huán)境機(jī)器人提供可擴(kuò)展方案。
直接3D打印折紙單元亦驗證工藝普適性，未來可拓展可編程磁化、多材料多模態(tài)驅(qū)動。

四、論文信息

題目：3D-Printed Soft Magnetoactive Origami Actuators
期刊：Advanced Functional Materials, 2025, 35, e16404
作者：Sen Zhang, Yuan Li 等
通訊：Xiaomeng Fang (xfang3@ncsu.edu)
DOI：10.1002/adfm.202416404