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。
图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。
图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。
