
2025年第2篇与3D打印技术相关的nature正刊文章于4月23日发表。来自普林斯顿大学的研究人员赵拓(其本科就读于大连理工大学,现为普林斯顿大学),发表了题为“Modular chiral origami metamaterials(模块化手性折纸超材料)” 的文章。

(从左至右)博士后研究员Shixi Zang和Tuo Zhao、研究生Konstantinos Manos 和博士后研究员Xiangxin Dang
这项研究创造了一种材料,它可以扩展、呈现新形状、移动并像遥控机器人一样遵循电磁指令,但它没有任何马达或内部齿轮。这种现象让人联想到了电影《变形金刚》。

研究人员描述了他们如何从折纸艺术中获得灵感,创造出一种模糊了机器人与材料之间界限的结构。它一种超材料,它经过特殊设计的新型材料,其特性取决于材料的物理结构而非化学成分。研究人员使用简单的塑料和定制的磁性复合材料组合来构建这种超材料。可利用磁场远程改变超材料的结构,使其膨胀、向不同方向移动和变形,而无需接触材料本身。该团队将他们的作品称为“元机器人”——一种可以改变形状并能移动的超材料。

论文作者、普林斯顿大学电气与计算机工程副教授Chen Minjie说道,“电磁场同时传输电力和信号。每种行为都非常简单,但当它们结合在一起时,就会变得非常复杂。这项研究突破了电力电子技术的界限,证明了扭矩可以远程、瞬时、精确地传递到远距离,从而触发复杂的机器人运动。”

几何形状是这种新材料的关键。3D打印技术参考注意到,这种模块化的手性折纸超材料由单元格、铰链连接的镶嵌结构以及装配板等组成。这些结构都采用PolyJet 3D打印技术制造。该技术的最大特点是精度高、可实现多种材料一体制造,能够满足超材料复杂的几何形状和不同力学性能的要求。
单元格由杆和软关节两部分组成。在制造过程中,杆使用了四种弹性模量接近的材料,约为2.2GPa;软关节在打印过程中混合了多种材料,弹性模量根据不同的材料组合分别达到1.7MPa、2.7MPa和3.9MPa。这种多材料的3D打印方式使得超材料的不同部分能够具备不同的力学特性,从而实现预期的多模态变形行为。

论文作者赵拓探索了这项技术的机器人应用,利用普林斯顿材料研究所的激光光刻机,打造了一个高度仅为100微米(略高于人类头发丝)的元机器人原型。研究人员表示,类似的机器人未来有望将药物输送到身体的特定部位,或帮助外科医生修复受损的骨骼或组织。

研究人员还利用这种超材料制作了一个温度调节器,其工作原理是在吸光黑色表面和反射黑色表面之间切换。在一项实验中,研究人员将这种超材料暴露在明亮的阳光下,能够将表面温度从27℃调节到70℃,然后再调节回来。另一个可能的用途是用于天线、镜头和处理光波长的设备。

意大利特伦托大学固体与结构力学教授戴维德·比戈尼称这项工作具有开创性,并表示它可以“推动软机器人、航空航天工程、能量吸收和自发体温调节等多个领域的范式转变”。这种新材料更远大的用途是设计物理结构,模仿计算机中晶体管逻辑门的性能。。#增材制造 #3D打印
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