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浙大趙朋/張承謙課題組 Addit. Manuf.：磁場輔助增材制造柔性驅(qū)動器
2024-02-06  來源：高分子科技

  磁控柔性執(zhí)行器具有無線操控、快速相應(yīng)的優(yōu)勢特點，在近年來收到廣泛關(guān)注。磁性柔性致動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，由于其能保持其剩磁強(qiáng)度，在驅(qū)動磁場下能夠產(chǎn)生磁矩驅(qū)動致動器形成內(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，與制造方法緊密相關(guān)。增材制造方法為磁性驅(qū)動器的制造提供了全新的思路，通過與輔助磁場的結(jié)合，實現(xiàn)在制造過程中對材料的磁化方向進(jìn)行排布，進(jìn)而實現(xiàn)對材料內(nèi)部的磁排布設(shè)計。但現(xiàn)有研究中大多未能實現(xiàn)同時具有三維空間結(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材料透光性有要求，材料的磁含量受限，會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)計創(chuàng)新與功能拓展。



  針對上述問題，浙江大學(xué)趙朋教授/張承謙博士課題組報道了一種磁場輔助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，輔助磁場可使硬磁性顆粒對齊，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)計成為可能。為了解決磁粉含量低導(dǎo)致驅(qū)動力不足的問題，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器，體現(xiàn)了該方法在磁控柔性執(zhí)行器的設(shè)計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)隊成員均來自浙江大學(xué)流體動力基礎(chǔ)件與機(jī)電系統(tǒng)全國重點實驗室。


  為該研究搭建的制造裝置由DLP系統(tǒng)、厚度控制系統(tǒng)和輔助磁場發(fā)生裝置構(gòu)成。輔助磁場發(fā)生裝置由二維亥姆霍茲線圈組和空心水平轉(zhuǎn)臺構(gòu)成，能夠?qū)崟r產(chǎn)生任意大小與方向的勻強(qiáng)輔助磁場。其具有中空的結(jié)構(gòu)，可以使光路與固化平臺分別從線圈下方和上方進(jìn)入線圈中心的固化區(qū)域，以便實現(xiàn)多層打印。制造所用的材料為光固化樹脂，內(nèi)部分散有預(yù)充磁過的NdFeB硬磁顆粒。制造時，先施加輔助磁場使材料中的磁顆粒的磁軸與輔助磁場方向?qū)R，之后曝光對應(yīng)的區(qū)域，使該區(qū)域的樹脂迅速固化，同時固定其內(nèi)部被排布的磁顆粒。經(jīng)過這一“排布-固化”流程，即可獲得具有磁化排布的區(qū)域。之后，通過多次調(diào)整輔助磁場方向，重復(fù)上述過程，即可得到具有多個磁排布的執(zhí)行器。在完成一層的制造之后，固化平臺抬起，等待填充材料后再次下沉并開始下一層的制造。 


圖1 磁場輔助制造裝置與制造流程示意圖


  因為DLP方法是基于光固化原理，對材料有透光性要求，磁顆粒含量只能保持在較低的水平，這會導(dǎo)致磁驅(qū)動效果變差，影響磁控驅(qū)動器的功能實現(xiàn)。為應(yīng)對這一問題，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。


  通過仿真與實驗分析了疊層厚度對整體形變的影響趨勢，印證了該方法的有效性。 


圖2 凹槽結(jié)構(gòu)的構(gòu)造以及對形變的影響


  基于這種強(qiáng)化形變效果的凹槽結(jié)構(gòu)，該研究設(shè)計了具有多個彎折單元的多臂抓手。根據(jù)磁排布設(shè)計，這種抓手可以在磁場下收攏。磁場的強(qiáng)度控制抓手開合狀態(tài)，磁場的方向控制抓手的朝向。在收攏狀態(tài)下，抓手收攏為一個球形，此時旋轉(zhuǎn)磁場方向即可使抓手實現(xiàn)滾動。文中展示了多臂抓手對物體進(jìn)行轉(zhuǎn)運的過程。首先增加磁場強(qiáng)度，使抓手抓緊目標(biāo)物體；之后轉(zhuǎn)動磁場方向，抓手帶動物體進(jìn)行滾動；到達(dá)目標(biāo)位置后降低磁場強(qiáng)度，抓手松開，釋放物體；最后，反向旋轉(zhuǎn)磁場方向，使抓手回到初始位置。 


圖3 多臂抓手以及運輸物體應(yīng)用展示


  該研究提出的制造方法同樣可以構(gòu)造垂直的凹槽結(jié)構(gòu)。將兩個方向的凹槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，就得到了一個二自由度關(guān)節(jié)。在該研究中，這種二自由度關(guān)節(jié)被應(yīng)用于一種多足爬行機(jī)器人，大幅強(qiáng)化了機(jī)器人的運動能力。與沒有應(yīng)用凹槽結(jié)構(gòu)的爬行機(jī)器人相比，在懸空情況下，機(jī)器人各足在水平和垂直方向上的最大形變幅度分別增加到8.3倍和5.7倍，這將使得爬行機(jī)器人能夠獲得更加穩(wěn)定的步態(tài)和更大的步幅。在爬行能力展示中，應(yīng)用了凹槽結(jié)構(gòu)的爬行機(jī)器人平均步長提高至6.8倍。 


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)器人的運動能力


  最后該研究展示了一個磁性隔膜泵的應(yīng)用并展示了其工作流程，實現(xiàn)了3.6 mL/min的泵水速度，其中的磁性隔膜通過本文所述方法進(jìn)行制造。施加磁場時，磁性隔膜下凹，腔體容積增加，將液體吸入；撤去磁場，磁膜回彈，腔體容積減小，將液體泵出。該磁性隔膜具有傾斜的彎折軸線和6個不同方向的磁排布區(qū)域，體現(xiàn)了本研究提出的磁場輔助制造方法在制造具有三維結(jié)構(gòu)和磁化排列的磁性柔性致動器方面的優(yōu)勢和巨大潛力。 


圖5 磁性微流隔膜泵


  該工作是團(tuán)隊近期關(guān)于磁控柔性執(zhí)行器設(shè)計與制造相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一，得到了國家自然科學(xué)基金、浙江省“尖兵”“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計劃項目、浙江省自然科學(xué)基金等項目的大力支持。近年來，磁功能器件因其響應(yīng)快、無線傳輸?shù)奶匦允艿搅藦V泛關(guān)注，團(tuán)隊采用折紙工藝制備了柔性磁驅(qū)動功能器件（Nano Energy, 2021, 89, 106424.），實現(xiàn)了二維結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)的形態(tài)轉(zhuǎn)變以及單功能向多功能的驅(qū)動轉(zhuǎn)變。團(tuán)隊在磁性傳感功能器件方面也開展了相關(guān)工作，利用磁化設(shè)計方法結(jié)合空間磁場分布建模，實現(xiàn)具有大面積力-位置感知能力的柔性觸覺功能器件（ACS Nano, 2022, 16 (11), 19271-19280.），通過建立三維力-磁場解耦理論模型，提出了高穩(wěn)定磁化設(shè)計與折疊充磁方法，開發(fā)了三軸力解耦觸覺傳感器（Adv. Mater., 2023, 2310145）。團(tuán)隊在磁場輔助增材制造磁功能器件方面的前期工作（Adv. Funct. Mater., 2021, 31 (34), 2102777、Mater. Design, 2023, 112588.）也為高性能磁功能器件的形性一體化制造奠定了良好基礎(chǔ)。


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

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

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