磁控柔性執(zhí)行器具有無線操控、快速相應的優(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。當磁性顆粒為硬磁性顆粒時，由于其能保持其剩磁強度，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行排布，進而實現(xiàn)對材料內(nèi)部的磁排布設計。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)行器的設計創(chuàng)新與功能拓展。
針對上述問題，浙江大學趙朋教授/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方法具有制造精細結(jié)構(gòu)和選擇性固化的能力，使構(gòu)造復雜磁排布設計成為可能。為了解決磁粉含量低導致驅(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，浙江大學機械工程學院趙朋教授和交叉力學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，論文作者團隊成員均來自浙江大學流體動力基礎件與機電系統(tǒng)全國重點實驗室。
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)。為應對這一問題，該研究通過構(gòu)造凹槽結(jié)構(gòu)以強化形變效果。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)造以及對形變的影響
圖3 多臂抓手以及運輸物體應用展示
圖4 凹槽結(jié)構(gòu)組成的二自由度關(guān)節(jié)強化爬行機器人的運動能力
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
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