新型 DLP 3D 打印技术：开启多功能软机器人制造新时代

为解决单材料软结构功能局限及传统制造技术难题，中国研究人员开展新型数字光处理（DLP）3D 打印技术研究，制备出多材料复合软机器人，该技术在软机器人制造领域潜力巨大。

　　

一、研究背景：软机器人发展的困境与突破需求

在科技飞速发展的当下，软机器人凭借其独特优势，成为科研领域的热门话题。随着微纳制造技术进步，无线驱动的软微结构不断涌现，它们能在狭窄和液体环境中灵活运动，在软传感器、微操作、药物递送、磁热疗法和微流体等众多领域展现出巨大应用潜力。其中，磁场驱动因其响应迅速、无创、生物相容性好且可远程控制等优点，备受关注。

然而，传统医疗设备如胃镜、肠镜，在为患者检查身体时，常让患者感到不适。虽然利用磁驱动软结构开发的机器人，像磁驱动胶囊内窥镜，能实现无创检查，提高患者接受度，但单材料磁驱动软结构功能有限，无法完全替代传统医疗设备。同时，在制造方面，传统制备 2D 或 3D 磁性结构的方法，如模具辅助成型和紫外线（UV）光刻，受模具形状和材料类型限制，难以制造复杂磁性结构，且多材料复合结构制备困难。3D 打印技术虽有优势，但在打印磁性结构时也面临问题，如常用磁性材料存在驱动弱、稳定性差等情况，直接墨水书写（DIW）技术难以打印复杂空心结构且分辨率受限，而且目前还无法实现多材料复合结构的一步打印。因此，开发新的制造技术，制备多材料复合软机器人，成为软机器人领域亟待解决的问题。

二、研究团队与研究内容

为攻克这些难题，中国研究人员开展了关于新型数字光处理（Digital Light Processing，DLP）3D 打印技术的研究。他们致力于开发一种能够一步打印多材料复合磁性结构的技术，并利用该技术制备功能多样的软机器人。

三、研究技术方法

研究人员首先对商用 DLP 设备进行改造，更换树脂槽底部的释放膜为先进复合膜（ACF），并调整打印参数。他们制备了包含不同磁性材料（NdFeB 粒子、Fe₃O₄粒子）的磁性光敏树脂，通过添加高分子分散剂、流变添加剂和气相二氧化硅，改善磁性粒子在树脂中的分散性。打印过程中，可暂停打印切换树脂槽，实现多材料一步打印。同时，利用多种设备对样品进行表征，如用扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌和元素分布，用高灵敏度振动样品磁强计测量磁性能，用电子万能试验机测试力学性能等。

四、研究结果

1. 3D 打印技术的实现：成功开发出能在软聚合物基质中嵌入磁性粒子的磁性光敏树脂。针对不同磁性粒子（如 5μm 的 NdFeB 硬磁粒子和 200nm 的 Fe₃O₄超顺磁粒子）的特性，优化了打印参数。通过使用 ACF 释放膜和调整 UV 固化时间，解决了高浓度磁性材料打印时的粘附问题。SEM 图像显示，打印结构层厚均匀，偏差不超 1%，磁性粒子分布均匀，且未参与光聚合交联反应，表明该技术有扩展到其他功能粒子的潜力。
2. 3D 打印结构的表征：用标准刚性树脂和磁性响应软树脂打印相同 3D 测试模型验证打印精度，结果显示更换树脂对打印精度影响小，整体和细节尺寸误差在 1% 以内。但增加 UV 曝光强度会影响不同结构的打印效果，软树脂固化后残余应力更明显。多材料一步打印实验验证了该技术的准确性和稳定性，打印的软抓取装置和软硬磁材料组合结构展示了其应用潜力。此外，测量打印结构的磁滞回线和进行拉伸测试，证实了打印结构保留了磁性粒子的固有特性，且含磁性粒子的结构更柔软，不同磁性粒子结构的力学性能存在差异。
3. 3D 打印硬磁 - 超顺磁软机器人：制备了集成硬磁和超顺磁材料的软机器人，通过模具稳定形状，用外部磁场重新编程磁畴。模拟磁化过程发现机器人整体变形与实验数据相符，但手臂变形曲率存在差异，经退火处理可消除残余应力影响。用高频电磁感应加热装置测试超顺磁材料层的热响应，机器人温度在 70s 内从室温升至 42°C，对比实验表明该热效应源于纳米 Fe₃O₄的超顺磁特性。在恶劣环境（酸性、碱性、高温）下测试机器人悬臂梁结构的变形能力，结果显示其对酸碱有一定耐受性，但高温会使 NdFeB 退磁。
4. 软机器人的地面运动能力：通过重新配置磁畴分布，软机器人具备平面运动能力，验证了爬行和滚动两种主要运动模式。在 1Hz 磁场驱动下，归一化爬行速度为每秒 0.31 个身体长度，滚动速度为每秒 1.88 个身体长度，滚动运动速度更快，但爬行运动更适合机械安装永磁体驱动。在猪胃模型中测试滚动能力，机器人能沿预定路径运动，还通过了包含障碍跨越、目标抓取和运输的任务测试，展示了其多功能运动能力。
5. 软机器人的水生游泳能力：受水母启发设计的软机器人可通过磁控在液体中膨胀和收缩实现游泳。用甘油模拟液体环境，简化机器人结构（保留 2 个软臂）后运动效率提高 61%。基于磁流固多物理场耦合模拟，模拟结果与实验结果在误差范围内相符。分析软臂边缘点和机器人结构中心点的运动速度和位移，发现二者运动模式不同，且模拟过程存在一定计算误差。

五、研究结论与意义

研究人员成功开发出新型 DLP 3D 打印技术，可一步打印多材料复合磁性结构，制备的结构具有优异的耐酸碱性能，材料层间结合力强，磁性粒子分布均匀。利用该技术制备的软机器人，验证了硬磁部分磁畴的可编程性和超顺磁材料在高频磁场下的发热能力。软机器人在 1Hz 磁场下能以不同速度执行多种运动模式，具备定向运动、穿越粗糙表面、跨越障碍、抓取和运输物体的能力，还能在高粘度、低雷诺数液体中游泳。

不过，该技术也存在一定局限性，如目前 DLP 技术最大单层打印面积有限，打印结构高度受限，磁性树脂中硬磁粒子浓度影响结构磁性能等。未来可通过开发循环进料系统、研究磁性树脂固化过程、开发大型打印系统、探索新型高性能磁性材料等方式改进。同时，还需验证打印机器人在体外生物器官中的可靠性，开发具有药物递送和磁热治疗功能的机器人。

这项研究成果为多功能软机器人的设计和制造开辟了新途径，在生物医学、微操作等领域具有广阔的应用前景，有望推动软机器人技术的进一步发展。