四校聯合Nat.Commun.丨大規模制造磁控折紙機器人

材料人編輯小單 1年前 (2022-07-25) 1122瀏覽

磁控軟體機器人在醫療健康，可穿戴器件等領域擁有較大的應用潛力。目前，制造柔性磁控軟體機器人的方法，主要包括模板法，3D打印法，激光編程等，然而，現有的方法存在制造精度低，制造耗時長等問題。近期，中山大學生物醫學工程學院蔣樂倫教授團隊，與南方科技大學郭傳飛教授，華中科技大學吳志剛教授及中國科學技術大學王柳教授等聯合報道了磁控折紙機器人的2D-to-4D大規模制造策略。論文首先將卷對卷磁性紙制造方法與中國傳統折紙技術結合，解決了不同形狀與功能磁控折紙機器人的高效大規模制造問題。磁控折紙軟體機器人的幾何形狀、磁極圖案和形狀變換模式是完全可編程，因此，磁控折紙機器人可實現無線磁控折疊，展開，鎖定，變形與運動的各種功能。該研究結果發表在《自然·通訊》雜志上，題為“High-throughput Fabrication of Soft Magneto-origami Machines”。

  1. 卷對接大規模制造磁性紙和2D-to-4D制造磁控折紙機器人

磁性紙是在紙上涂覆一層磁性膜并固化而成。磁性膜由可磁化的釹鐵硼顆粒和硅橡膠混合組成。為了實現磁性紙的大規模制造，搭建了一個卷對卷全自動設備，如圖1和視頻1所示。卷對卷大規模制造磁性紙過程如下：刮刀均勻地在紙上刮涂一層磁性膜，磁性膜在通過加熱裝置時被快速加熱固化，最后通過激光設備將磁性紙切割成預先設計的2D圖案。

圖1 卷對卷制造磁性紙，用于折疊制造磁控折紙機器人

卷對卷制造視頻：https://v.qq.com/x/page/z3348ysxwcg.html

2D-to-4D制造磁控折紙機器人過程如下：通過折紙技術，將特定形狀的2D磁性紙折疊成目標3D折紙結構。進一步地，通過脈沖強磁場磁化折疊后的3D折紙機器人，賦予折紙機器人磁響應能力。2D-to-4D折紙制造的各式磁控折紙機器人見圖2。卷對卷磁性紙制造與中國傳統折紙技術結合，實現了大規模磁控折紙機器人的高效制造。

圖2 磁性紙和折疊的各式磁控軟體機器人

  1. 無線充電的磁控折紙機器人

該機器人可以折疊成一個長方體結構，用于通過狹小的通道，同時，該機器人可以實現無線充電的功能，為傳感設備和電刺激提供能量，如圖3。研究人員在一個豬胃模型中演示了機器人的運動、展開和無線充電的能力。通過磁鐵的驅動，該機器人以約1 mm/秒的速度在凹凸不平的表面上運動。然后，通過施加交變磁場，充電電路可以產生3.3 V的穩定電壓，點亮LED燈。通過加入電子電路，賦予機器人無線充電的能力，為植入式電子裝置的供電和長期應用提供了新的思路。?

圖3 可無線充電的磁控折紙機器人

  1. 磁控仿生折紙技術，讓藝術品“活”起來

基于折紙藝術的創造性，磁控折紙機器人可以應用在磁響應藝術/工藝品中。如圖4所示，在磁場驅動下，磁折紙蝴蝶扇動翅膀，磁花朵生動的綻放，讓紙動起來，讓藝術畫“活”起來。并且，在驅動過程中可播放背景音樂，讓整個藝術品更加充滿生氣，更加優美。磁控折紙技術可作為一種傳播科學和藝術的迷人媒介，在博物館和學校展出，對公眾，尤其是兒童和中小學學生產生教育影響。

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圖4 磁控折紙讓畫“活”起來

磁控折紙藝術視頻：https://v.qq.com/x/page/b3348ngnnj3.html

團隊介紹：

中山大學生物醫學工程學院蔣樂倫教授，致力于磁控機器人與介入式醫療器件等研究工作，以第一/通訊作者在Nat Commun,?Adv Sci, Nano Energy等發表 SCI 論文50余篇，獲授權專利30余項。目前實驗室招收醫療儀器方向博士/博后/助理教授，待遇優厚，有意者請發送郵件到?jianglel@mails.sysu.edu.cn，詳情可訪問網頁：https://bme.sysu.edu.cn/bmejiangll/。

南方科技大學材料科學與工程系郭傳飛教授，主要從事柔性電子皮膚及人機融合的研究。團隊研發了超靈敏、大量程、高線性度、高穩定性的電子皮膚（Nat. Commun. 2022, 13, 1317; ACS Nano?2022, 16, 4338?4347; Sci. Bull. 2021, 66, 1091–1100; Nature Commun.?2020, 11, 209; Adv. Mater.?2019, 31, 1902955.），實現了電子器件與生物組織的穩定融合（Adv. Mater.?2022, 2200262; Nat. Mater. 2021, 20, 229-236; Adv. Funct. Mater.?2020, 2001518.），并開發了基于生物組織的柔性傳感新模式（Nat. Commun. 2021, 12, 4731）。

華中科技大學機械科學與工程學院吳志剛教授，長期從事智能軟體，軟體機器人，軟基材先進制造等方面的研究。在Nature集團旗下子刊Sci Rep和國際著名期刊J Micromech Microeng等擔任編輯。主持國家自然科學基金深圳機器人基礎研究中心聯合基金重點項目、科技部智能機器人重點專項子課題等國家、省部級項目5項。在Sci Robot，Nat Commun，Adv Mater等國際頂級期刊發表論文80余篇，獲得國內外發明專利30余項。

中國科學技術大學近代力學系王柳教授，主要研究方向是軟體機器與柔性結構，包括軟材料力學，軟體機器人，3D打印等。以第一/通訊作者在國際頂尖期刊上發表學術論文19篇，包括 Nat Biomed Eng,?Nat Commun?(3篇), Sci Adv, PNAS, Adv Mat等。目前實驗室招收軟體機器人方向博士/博后/特聘副研究員，待遇優厚，有意者發郵件到wangliu05@ustc.edu.cn，詳情可訪問主頁https://faculty.ustc.edu.cn/liuwang。

論文信息：

“High-throughput Fabrication of Soft Magneto-origami Machines” by Shengzhu Yi#, Liu Wang#, Zhipeng Chen#, Jian Wang, Xingyi Song, Pengfei Liu, Yuanxi Zhang, Qingqing Luo, Lelun Peng, Zhigang Wu*, Chuan Fei Guo*, Lelun Jiang*. 19 July 2022, Nature communications.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-31900-5

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