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  磁控柔性執(zhí)行器具有無線操控、快速相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，在近年來收到廣泛關(guān)注。磁性柔性致動(dòng)器通常由柔性材料基體和嵌入其中的磁性顆粒組成。當(dāng)磁性顆粒為硬磁性顆粒時(shí)，由于其能保持其剩磁強(qiáng)度，在驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)下能夠產(chǎn)生磁矩驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器形成內(nèi)部變形。這類執(zhí)行器的功能多樣性取決于其空間結(jié)構(gòu)與磁化排布設(shè)計(jì)，與制造方法緊密相關(guān)。增材制造方法為磁性驅(qū)動(dòng)器的制造提供了全新的思路，通過與輔助磁場(chǎng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在制造過程中對(duì)材料的磁化方向進(jìn)行排布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部的磁排布設(shè)計(jì)。但現(xiàn)有研究中大多未能實(shí)現(xiàn)同時(shí)具有三維空間結(jié)構(gòu)與磁排布的柔性執(zhí)行器。另外，基于光固化的增材制造方法對(duì)材料透光性有要求，材料的磁含量受限，會(huì)引起磁致形變的不足。這些問題限制了磁性柔性執(zhí)行器的設(shè)計(jì)創(chuàng)新與功能拓展。

  針對(duì)上述問題，浙江大學(xué)趙朋教授/張承謙博士課題組報(bào)道了一種磁場(chǎng)輔助DLP光固化制造方法，用于制造具有三維結(jié)構(gòu)和三維磁排布的磁控柔性執(zhí)行器。在制造過程中，輔助磁場(chǎng)可使硬磁性顆粒對(duì)齊，從而獲得各向異性磁化排布。DLP方法具有制造精細(xì)結(jié)構(gòu)和選擇性固化的能力，使構(gòu)造復(fù)雜磁排布設(shè)計(jì)成為可能。為了解決磁粉含量低導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力不足的問題，該研究發(fā)揮該制造方法的多層打印能力，構(gòu)建了凹槽結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)執(zhí)行器的變形能力，并展示了具有抓取、爬行、泵水等功能的磁性柔性制動(dòng)器，體現(xiàn)了該方法在磁控柔性執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與功能拓展方面的巨大潛力。相關(guān)研究成果以“Magnetic Field-Assisted Manufacturing of Groove-Structured Flexible Actuators with Enhanced Performance”為題發(fā)表在《Additive Manufacturing》上，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院趙朋教授和交叉力學(xué)中心張承謙博士為論文共同通訊作者，碩士生孫浩南為論文第一作者，論文作者團(tuán)隊(duì)成員均來自浙江大學(xué)流體動(dòng)力基礎(chǔ)件與機(jī)電系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

圖1 磁場(chǎng)輔助制造裝置與制造流程示意圖

  因?yàn)镈LP方法是基于光固化原理，對(duì)材料有透光性要求，磁顆粒含量只能保持在較低的水平，這會(huì)導(dǎo)致磁驅(qū)動(dòng)效果變差，影響磁控驅(qū)動(dòng)器的功能實(shí)現(xiàn)。為應(yīng)對(duì)這一問題，該研究通過構(gòu)造凹槽結(jié)構(gòu)以強(qiáng)化形變效果。充分發(fā)揮制造方法的多層打印能力，在磁排布區(qū)域的中心部分進(jìn)行疊層，在不同磁排布區(qū)域的交界處保留較小的厚度，將形變集中在需要形變的地方。

圖2 凹槽結(jié)構(gòu)的構(gòu)造以及對(duì)形變的影響

圖3 多臂抓手以及運(yùn)輸物體應(yīng)用展示

圖4 凹槽結(jié)構(gòu)組成的二自由度關(guān)節(jié)強(qiáng)化爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力

圖5 磁性微流隔膜泵

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.103979

  課題組主頁：https://person.zju.edu.cn/pengzhao