麻省理工学院的工程师们开发了一种3D打印方法，可以制造出注入氧化铁纳米颗粒的柔软微观结构，并能通过普通磁铁进行远程控制——其中包括一个比沙粒还小的棒棒糖状机械臂，它能像捕蝇草一样，根据指令迅速闭合。这项研究于4月28日发表在《物质》（Matter）杂志上，由麻省理工学院与瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）和美国辛辛那提大学的研究人员合作完成。
研究团队制造出形似微型棒棒糖的球棍结构。这些结构高度不足一毫米，球体比沙粒还小。球体内部填充有磁性颗粒。（图片来源：麻省理工学院）
该团队面临的关键挑战是磁性微打印领域长期存在的一个问题：磁性颗粒会散射和吸收激光，从而削弱甚至阻止与其混合的结构的打印。麻省理工学院团队的解决方案是一个两步流程。他们首先使用双光子光刻技术打印一个标准的聚合物凝胶微结构。双光子光刻是一种高分辨率3D打印技术，它利用激光脉冲在树脂上描绘图案。然后，他们将打印好的凝胶浸入铁离子溶液中，凝胶会吸收铁离子，之后再浸入氢氧根离子溶液中。这两种离子在凝胶内部发生反应，形成具有固有磁性的氧化铁纳米颗粒——无需在树脂中添加任何颗粒。
该工艺流程中还增加了一层控制手段。研究人员通过在打印过程中调节激光功率，可以控制特定区域内凝胶的交联程度，即“紧密度”。凝胶越紧密，其能够吸收的磁性颗粒就越少。这意味着研究团队可以以微米级的精度，为单个微观结构的各个部分赋予不同的磁性。
“直接3D打印具有高比例磁性颗粒的可变形微米级结构非常困难，通常需要在磁性功能和结构完整性之间做出权衡，”该论文的共同第一作者、研究生Rachel Sun说。
为了展示这项技术，研究团队打印出类似微型棒棒糖的球棍结构，每个棒棒糖的高度不到一毫米，球体比沙粒还小。每个球体都注入了不同数量的磁性颗粒。当冰箱磁铁在培养皿上方移动时，这些棒棒糖会向磁铁方向弯曲不同程度，模拟手的抓握动作。研究团队还制造了一个毫米长的双稳态开关，其两侧各有四个桨状磁臂，每个磁臂的厚度约为8微米——大致相当于一个红细胞的大小。在开关的任一端施加磁铁，即可翻转磁臂，并将整个矩形锁定在原位，就像拨动开关一样。
“利用磁响应材料，我们可以远距离控制，而且响应是瞬时的，”论文共同第一作者、麻省理工学院研究生安德鲁·陈说。“我们不必等待缓慢的化学反应或物理过程，而且无需接触材料即可对其进行操控。”
麻省理工学院机械工程系罗伯特·N·诺伊斯职业发展副教授卡洛斯·波特拉表示，这种双稳态开关可以作为微流控装置中的磁阀，而其抓取器的几何形状则指向潜在的医疗应用。“你可以想象，像这样的磁性结构可以像一个小型机器人，你可以用外部磁铁引导它在体内移动，并抓住某些物体，例如进行活检，”波特拉说道。这项研究部分由美国国家科学基金会和MathWorks种子基金项目资助，部分工作在MIT.nano实验室完成。
来源：news.mit.edu
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