[发明专利]一种微尺度磁性作动器的4D打印系统与方法

说明书

本发明公开一种微尺度磁性作动器的4D打印系统与方法，该4D打印系统包括计算机控制终端、微液滴打印装置和三维操作平台；微液滴打印装置包括微液滴生成模块和磁控模块；三维操作平台设置在微液滴生成模块的正下方；计算机控制终端按照预设打印模型控制磁控模块改变微液滴生成模块中的打印材料的磁极和磁矩，并控制微液滴生成模块打印微液滴在三维操作平台的透明基板上，经过层层打印，最终透明基板上的微液滴经过融合形成磁性作动器。本发明实现打印微尺度磁驱动器的同时编辑各打印纤维的磁化方向，调节灵活，为微尺度驱动器和软体机器人的制造提供了一种简单且高效的方法。

技术领域

本发明涉及打印技术领域，具体涉及一种微尺度驱动器和软体机器人核心部件——微尺度响应作动器的4D打印系统与方法。

背景技术

在柔韧电子、软机器人、生物医学等领域，对可以响应外界光、热、电场和磁场等刺激并发生形变的智能型软材料备受关注。其中生物医学应用通常需要在封闭和有限的空间中进行远程驱动，磁场为提供了一种安全和有效的操作方法。磁性作动器作为功能机器人的核心部件之一，其性能的优劣直接关系到功能机器人的工作品质。同时随着研究尺度的不断缩小，制备微尺度的磁性作动器成为研究难点。

2013年麻省理工学院的Skylar Tibbits首次展示4D打印技术，4D打印技术是指由3D技术打印出来的结构能够在外部环境的刺激下结构或者一些属性发生改变，4D打印技术的出现为微尺度磁性作动器的制备提供了新的途径和方法。2014年Eric Diller和MetinSitti等人应用可编程和动态磁化的柔性材料制备出磁性微型夹具机器人。2016年Guo Zhan Luma等研究者提出可编程的磁性软材料理论公式，计算策略并制备出仿生水母机器人。

其他各式各样的磁性作动器开始不断发展。随着磁场控制方面的进步，磁响应软材料也从嵌入分立的磁性材料发展到将磁性颗粒混入各种智能型软材料的复合型材料，同时人类对微观世界的不断深入和认识，磁性作动器的尺寸从毫米级向微米级进发。然而，目前能在微尺度下针对磁性复合型软材料区域磁极性可编程的4D打印技术还很欠缺。

发明内容

本发明提供一种面向微尺度驱动器和软体机器人核心部件——微尺度磁响应作动器的4D打印系统与方法，该系统通过计算机控制终端、微液滴打印装置和三维操作平台的协同控制实现对打印模型的高精度打印，电磁线圈的实时控制保证了打印材料磁极性的灵活性和打印模型功能的多变性。同时提供的4D打印方法能高效、便捷的制备出微尺度的磁响应作动器，制备出的微尺度磁响应作动器具备易于驱动、生物相容性好等特点，为拓展生物医学等领域应用提供了有力的手段。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案：

一种微尺度磁性作动器的4D打印系统，包括计算机控制终端、微液滴打印装置和三维操作平台；微液滴打印装置包括微液滴生成模块和磁控模块；三维操作平台设置在微液滴生成模块的正下方；计算机控制终端按照预设打印模型控制磁控模块改变微液滴生成模块中的打印材料的磁极和磁矩，并控制微液滴生成模块打印微液滴在三维操作平台的透明基板上，经过层层打印，最终透明基板上的微液滴经过融合形成磁性作动器。

优选地，微液滴生成模块包括气泵、注射料筒、加热套、送料控制器、可更换的打印针头；磁控模块包括电磁线圈以及磁屏蔽板；气泵和2个注射料筒连接，加热套包裹在注射料筒的外部，注射料筒末端连接可更换的打印针头，送料控制器和注射料筒连接，电磁线圈设置在打印针头周围，电磁线圈底部设置磁屏蔽板屏蔽；加热套、送料控制器、电磁线圈均还和计算机控制终端连接。

优选地，三维操作平台包括：透明基板、XYZ移动平台、光屏蔽罩、倒置显微镜和防震支撑台；透明基板、XYZ移动平台、倒置显微镜和防震支撑台均设置在光屏蔽罩内；倒置显微镜上设置蓝光LED；XYZ移动平台和倒置显微镜均设置防震支撑台上，透明基板设置在XYZ移动平台上作为打印区域，倒置显微镜位于透明基板的下方，XYZ移动平台、倒置显微镜均和计算机控制终端连接。