全文5700字，阅读需12分钟。本文分享Nature子刊发表磁场辅助光固化3D打印制造软体机器人研究。
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这项名为"均匀磁场辅助立体光固化（UMA-SL）"的技术创新，造出了传统制造工艺难以造出的软体机器人。
这种全新的3D打印多维度创新，通过精确控制磁场方向和光照图案，可以实现制造后物体的复杂的三维磁化可编程分布。
本文将为您深度解析这项技术以及它可能带来的新变化，本研究已展示的结肠给药机器人、模拟心脏血液泵以及胃部给药机器人均足够震撼。
行业痛点：为何软体机器人难以突破？
如果说机器人是工业4.0的执行者，那么软体机器人就是未来医疗革命的先锋。
在精准医疗、微创手术等领域，柔软、灵活且生物相容的软体机器人展现出巨大潜力。
然而，从实验室走向临床的道路却异常艰难。
核心难题在哪里？
简单来说，就是"精确制造"与"灵活控制"的矛盾。
传统的软体机器人要么采用模具浇注，难以实现复杂的内部结构；
要么使用3D打印，却在薄壁结构和磁响应控制方面捉襟见肘。
更棘手的是，医疗器械对产品的一致性和可靠性要求极高，这使得手工组装等方案也难以大规模应用。
这项UMA-SL技术不仅解决了困扰行业多年的薄壁制造难题，更开创了一种全新的磁场精确控制范式。传统的磁控软体机器人面临着一个看似无解的难题：磁场越强，控制精度越高，但材料变形风险也越大；磁场越弱，材料稳定性好，却难以实现精确控制。![]()
如图1a所示，UMA-SL系统的核心在于其独特的磁场控制装置。
研究团队创新性地将Halbach磁阵列与电磁线圈结合，构建了一个覆盖整个打印空间的高度均匀磁场系统。
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DLP投影仪通过底部投射紫外光，将磁性颗粒定向排列并固化成型。
这种设计的精妙之处在于，它能在40mm直径的打印平面内产生强度高达80mT的均匀磁场。
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图1b展示了打印材料的组成，包括NdFeB磁性颗粒、硅树脂单体和光引发剂。
这种材料配方设计确保了磁性颗粒在硅树脂基体中的均匀分散，同时保持了良好的光固化性能。
通过精确控制磁场方向和光照图案，可以实现制造后物体的复杂的三维磁化可编程分布。
更令人印象深刻的是系统的打印效率。
如图1c所示，研究团队开发了一种并行打印策略，通过阵列式布局大大提高了生产效率。
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图1d和1e展示了磁场控制的精确性—在打印平面中心测得的磁场方向误差控制在1.5度以内，而在整个40mm直径范围内的场强均匀性误差不超过5%。这种高精度的磁场控制为后续的功能实现奠定了基础。
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通过精心设计的Halbach阵列布局，仅需23W功率就能产生稳定的背景磁场，即使加上电磁线圈的280W功耗，总能耗也远低于传统系统。看到这里，您可能仍然不明白这个3D打印设备为什么要搞这么复杂？
而这套UMA-SL装置则巧妙地给打印机加上了"磁场眼睛"。前文它的核心是一个精心设计的磁场控制系统：上方是三组同轴排列的磁阵列和下方的中空的电磁线圈。这两部分相互配合，在打印区域产生了一个高度均匀的磁场。因为打印材料中混入了磁性颗粒，这些颗粒就像是一群微小的指南针。关键是，这个磁场是可以调整方向的 - 磁阵列通过旋转，可以让磁场指向任何想要的方向。这样，研究团队就能在打印每一层时，先用磁场把这些"指南针"指向预定的方向，然后用紫外光将它们固定在这个位置上。这就像是在3D打印的同时进行"磁化编程" - 通过控制每一层甚至每个区域的磁性颗粒取向，让打印出来的结构具有预设的磁化分布。当这个结构后来置于外部磁场中时，不同区域会因为磁化方向不同而产生不同的力和力矩，从而实现预期的变形行为。![]()
通过图2的实验数据，我们可以清晰地看到他们是如何一步步攻克难关的。他们将NdFeB磁性颗粒的尺寸控制在1-2微米，并巧妙地引入2%的气相二氧化硅纳米颗粒作为分散剂。这种配方不仅确保了打印材料的流动性，更实现了高达16.6 kA/m的磁化强度。图2a和2c展示了四种不同配方（G1-G4）在80mT磁场下的沉降测试结果。
经过优化的G1配方（10wt%研磨后1-2μm NdFeB+2wt%气相二氧化硅）展现出最佳的分散稳定性，8小时后的吸光度仅下降2%。这种优异的分散稳定性为长时间打印提供了可能。
图2b和2d则揭示了光固化工艺的优化过程。通过系统研究不同UV曝光时间对固化深度的影响。
研究团队发现：固化深度随曝光时间的对数增加，而随NdFeB含量的增加近似线性下降。
基于这一发现，他们建立了精确的工艺参数体系：10wt%和15wt%的材料采用200μm层厚，20wt%采用100μm层厚，确保了最佳的层间结合强度。
AM易道需要指出，材料创新和前一部分的成型装置及工艺是分不开的， 缺一不可。在3D打印领域，支撑结构往往被视为"必要的累赘"——它们确保打印成功，却可能影响产品性能。然而，研究团队将这个"累赘"转化为了助力工具。![]()
通过有限元分析，研究团队首先通过有限元模拟分析了管状薄壁结构在50mT磁场作用下的变形和应变分布，他们精确定位了结构中的应变集中点和最大变形区域。图3b的对比实验结果特别值得关注：避开最大变形点布置支撑会导致体积收缩比降低92%，严重影响结构的变形能力；他们没有简单地"加固"这些区域，而是反其道而行之，刻意避开应变集中点布置支撑。这种看似违反直觉的做法，却使得结构的体积收缩比提升了21%。![]()
图3c和3d进一步展示了支撑间距和尺寸对打印质量的影响。
研究发现，支撑变形量与间距呈正相关，与壁厚呈负相关。
通过严格控制支撑变形量不超过壁厚的10%，团队最终确定了最优的支撑参数：间距1.5mm，支撑长度2.8mm，宽度1mm。
关于这部分内容AM易道说明下：
体积收缩比实际上是衡量软体结构在磁场作用下变形能力的关键指标。它反映了结构能够挤压收缩的程度 - 比值越大，说明结构的变形能力越强。在软体机器人应用中，较大的体积收缩比意味着更强的泵送能力、更有效的夹持力，或者更大的运动幅度。传统3D打印中，我们总是本能地在应变集中处增加支撑，以防止结构变形。但在这项研究中，研究人员意识到：对于需要磁场响应的软体结构来说，"变形"恰恰是其核心功能。那些应变集中点不是缺陷，而是实现预期功能的关键区域。研究团队展示的一系列应用演示，不仅验证了技术可行性，更展现了UMA-SL技术在医疗领域的巨大潜力。让我们通过几个具有代表性的案例，来解读这项技术的转化价值。![]()
传统的人工心脏瓣膜往往采用刚性材料，不仅容易造成血液损伤，还面临着长期抗凝的挑战。而通过本文方法制造的柔性阀门，可以提升/控制血液动力学。
图4a和4b展示了受主动脉瓣和二尖瓣启发设计的单向阀门。
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这些阀门在150-200mT交变磁场作用下能实现精确的开关动作。
值得一提的是，阀瓣的壁厚仅有400-800μm，这种超薄结构在保证力学强度的同时，还实现了灵敏的磁响应特性。
图4c展示的八边形管状结构则证明了该技术在复杂变形控制方面的优势。
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通过在相邻管壁设计不同的磁化方向，结构在磁场作用下能产生交替的凹凸变形，这种变形模式在微流控领域具有重要应用价值。
图4d更进一步，展示了由多个六边形单元组成的大面积结构，在150mT磁场下可实现单轴拉伸变形，这种可控的群体变形行为为软体机器人的大尺度驱动提供了新思路。
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AM易道认为，这些功能演示不仅验证了UMA-SL技术的实用性，更重要的是展示了该技术在生物医疗器械开发中的巨大潜力。
特别是在微创手术工具、药物递送系统等高价值应用领域，这项技术有望带来新突破。
图5展示了一个极具创新性的应用—仿生结肠蠕动推进器。![]()
这个长度达40mm的管状结构，通过精心设计的磁化分布，成功模拟了人体结肠的蠕动运动。如图5a所示，研究团队在结构的截面上设计了四个不同的磁化区域，使其能在局部磁场驱动下产生管壁收缩变形，将圆形截面变为椭圆形。图5b的实验数据揭示了一个重要发现：磁化方向与外加磁场的初始夹角（θ0）对推进性能有显著影响。当θ0从90°增加到135°时，体积收缩比从0.44提升到0.66。这种优化后的磁化设计确保了最佳的推进效率。图5c记录了整个推进过程：在150mT移动磁场的驱动下，结构产生向前传播的变形波，成功实现了粘性流体的定向输运。整个过程酷似人体结肠的蠕动运动，展现出极高的生物模拟度。目前，肠道疾病的诊疗往往受限于给药效率和检查难度。这种能实现主动推进的软体机器人，有望改变消化道疾病的治疗模式。图6展示的本项技术另一项关键应用之一，仿生心脏泵！。
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研究团队巧妙地将心室的舒张和收缩功能浓缩在一个半锥形结构中（图6a）。这个结构采用对称的磁化设计，在160mT交变磁场作用下能产生类似心脏的搏动运动。如图6c所示，通过优化磁化角度和磁场作用时间，泵送装置实现了高达93%的射血分数。这一数据已经非常接近人体心脏的工作水平！图6d展示了实际的泵送实验：在模拟血管网络中，该装置能持续稳定地产生脉动流，为微流控系统和药物输送提供了新的技术方案。图7展示的智能胶囊机器人将UMA-SL技术的优势发挥到了极致。![]()
这种微型机器人不仅能在磁场引导下精确导航，还能实现按需的药物释放。如图7a所示，胶囊采用了精巧的结构设计：直径6mm，高度11.2mm，壁厚仅500μm，在头部设计了一个300μm的弧形开口用于药物装载和释放。而图7f则记录了它们在模拟胃部环境中的协同工作过程。在40mT旋转磁场的驱动下，多个胶囊能在不规则表面上稳定运动，并在目标位置同步释放药物。AM易道认为，看完研究的应用能力展示，可编程磁场的软体机器人3D打印技术能在多个领域带来新的应用可能，先说一目了然的：总结来看，医疗器械领域是首当其冲的，技术为开发新一代微创手术/药物递送工具提供了一系列方案可能：心脏瓣膜修复、消化道检查、靶向给药系统、生物仿生泵等工具。AM易道试图跳出医疗这个最直观的应用场景，UMA-SL技术展现出的是一个充满想象力的广阔天地。先来一个偏实验室的应用畅想：传统的微流控系统依赖固定的通道结构，一旦制造完成就难以调节。而本文技术带来的启发是：何不让通道本身变得活起来？通过磁场控制，流道可以实时改变形状、调整截面，就像血管可以收缩扩张一样。这种动态可调的特性，可能改变微流控系统的设计理念。在数千米的深海环境下，传统刚性机器人面临着巨大挑战。压力越大，结构就需要越坚固，重量和成本随之增加。UMA-SL技术制造的软体机器人，恰好也是软的，深海探测的很多功能或许可以集成在一个软的、可通过磁场控制的机器人里。在精密制造领域，试想一个用于半导体晶圆处理的机器人：它需要足够柔软以免损伤脆弱的晶圆，又要有精确的位置控制能力。本文制造的磁响应软体夹持器恰好满足这些看似矛盾的需求。通过精心设计的磁化分布，它或许可以像人手一样温柔而准确地操作零件。再从本质放宽来看，所有不易通过纯机械及或电控完成，而又适合磁控且适合的软体交护的场景都可以找到适用方向，当然至于哪些应用能真正产业化，还要再根据实际情况筛选和针对性研发。
虽然前面的提到很多的应用仍然处于畅想阶段，虽然本文的打印技术的打印尺寸仅有40mm的工作空间，本研究的医用示例也未做材料稳定性和生物相容性研究，虽然更不用提工业化、规模化生产可能会遇到的各种难题，但：瑕不掩瑜，AM易道认为，哈工大发表的这项3D打印技术的“潜在应用杠杆”很高。从另一个角度看，磁性编程制造赋予了材料—感知、响应和适应环境的能力。任何需要这种特性的领域，都可能是这项技术的潜在应用方向。回看全文，AM易道认为，这项技术的精髓在于通过打印过程中的均匀磁场控制与光固化精确配合，实现了从微观磁粒取向到宏观变形行为的可编程映射。
与工业4.0概念定义的传统数字化制造不同，此研究让我们再次见证了3D打印激活的是一种全新的从微观到宏观协同的数字化制造新范式。
未来，随着控制精度的不断提升和应用边界的持续拓展，3D打印将在更广阔的领域释放其变革性力量。
本文仅对这项研究做了框架性介绍。论文中还包含了大量关于材料制备、工艺控制、性能测试等方面的技术细节。
感兴趣的读者请根据如下信息查阅原文，深入了解精彩技术创新细节。
Meng, X., Li, S., Shen, X. et al. Programmable spatial magnetization stereolithographic printing of biomimetic soft machines with thin-walled structures. Nat Commun 15, 10442 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54773-2
