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学术分享 I 3D打印软磁折纸驱动器用于无创靶向给药及爬行机器人

发布时间:2025-12-27   浏览量:   分享到:

论文解读:3D打印软磁折纸驱动器

一、研究背景

传统刚性磁驱动器因刚度失配易脱落,而现有软磁复合材料3D打印受限于低颗粒含量(<50 wt%)导致磁响应弱、结构单薄。折纸结构可将简单直线运动转化为复杂变形,但如何兼顾高颗粒含量、快速成型、结构复杂度与生物兼容性仍是空白。

二、研究内容

  1. 材料-工艺协同:开发UV光-热双固化DIW 3D打印,实现75 wt% NdFeB/硅胶复合材料一次成型(厚度0.8 mm)。
  2. 图1. 制造流程与工作机理:A) DIW 3D打印装置;B) 面内/厚度方向磁化;C) 旋转与滑移两种驱动模式;D) 胃贴片与爬行机器人概念。
  3. 性能表征:系统测试33–75 wt%四组配方的力学、磁学及生物兼容性(体外心肌细胞+体内大鼠皮下植入)。
  4. 图2. SEM截面与表面:四组配方颗粒均匀分散,无严重团聚。
    图3. 力学、磁学与密度表征:A) 杨氏模量随颗粒含量升高;B) 密度仍低于金属;C) 磁滞曲线;D) 磁力-距离关系;E) 样品#4磁场强度随距离衰减;F) 75 wt%样品可360°弯折。
    图4. 生物兼容性:A-C) 体外心肌细胞活/死与代谢活性无显著差异;D-G) 大鼠皮下7天免疫组化显示无显著炎症反应。
  5. 折纸-软磁融合设计
    • 厚度方向磁化 → 线性“滑移”驱动,用于Miura-ori胃贴片,实现胶囊-口服-磁导航-固定-缓释。
    • 图5. 胃溃疡给药折纸机器人:A) 展开状态;B) 半折叠;C) 胶囊封装;D-E) 折叠角α与收缩比;F) 工作流程;G-H) 体外胃模型导航与固定实验。
    • 面内方向磁化 → 旋转型“抬落”驱动,用于双Miura-ori爬行机器人,可越7 mm障碍、适应沙地。
    • 图6. 双Miura-ori爬行机器人:A) 结构示意;B) 头部抬升;C) 抬升高度-磁场曲线;D) 单步爬行序列;E) 速度与磁场强度/频率关系;F) 越7 mm障碍;G) 沙地爬行(底部加滑片)。
  6. 概念验证:构建体外胃模型与地形平台,量化折叠-展开比(0.992)、爬行速度(15.2 mm s⁻¹)及越障能力。

三、研究结论

  • 75 wt%配方兼顾高磁矩(≈1.26 T饱和)、柔性(360°弯折无裂纹)与生物安全(无显著炎症)。
  • 软磁折纸驱动器在无需缆线/气源条件下,实现无线远程操控、大变形、高比功率,为无创给药复杂环境机器人提供可扩展方案。
  • 直接3D打印折纸单元亦验证工艺普适性,未来可拓展可编程磁化、多材料多模态驱动。

四、论文信息

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

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