CN113601840A - 一种磁性软体机器人的可控磁化光固化打印装置及方法 - Google Patents

一种磁性软体机器人的可控磁化光固化打印装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种磁性软体机器人的可控磁化光固化打印装置及方法，装置包括光敏树脂固化单元和三维空间磁场发生装置，光敏树脂固化单元包括紫外阵列光源、磁化后的磁性颗粒、硅胶/水凝胶等软体材料、棱镜部件、混合基液池、承载台和升降装置。该系统在打印过程中根据各区域不同的磁化方向，在指定方向的空间磁场环境下，对该区域进行局部紫外光固化，由于三维空间磁场发生装置能够在间隔空间中产生任意方向的空间均匀磁场，故对于任何一个区域都能够实现三维磁矩调控。本发明通过协同控制空间磁场方向与指定区域的光固化，从而实现了可控三维磁矩磁性软体机器人的制备过程，提高了磁性软体机器人磁化路径调控的灵活性。

Description

一种磁性软体机器人的可控磁化光固化打印装置及方法
技术领域
本发明属于磁性软体机器人制备领域，更具体地，涉及一种磁性软体机器人的可控磁化光固化打印装置及方法。
背景技术
软体机器人具有高自由度、强变形能力和强适应性等特征，在医疗诊断、环境检测和空间探测等多领域展现出广泛的应用前景。其中，基于磁场驱动的磁性软体机器人技术具有非接触、可控性强和穿透性能好等显著优势，已成为当前软体机器人领域的研究前沿和热点，并产生了诸多重要影响力的研究成果。
目前，磁性软体机器人的一项主流制备技术是将磁性材料与软物质材料相结合，经磁场处理后在其内部形成非均匀的磁化分布特征以响应后续激励磁场。然而，磁化过程仍限于单一磁场模式，由于材料的磁响应特性及材料间的磁作用行为与外加磁化磁场呈现出特定对应关系，使得机器人自身磁特性难以调控。
美国麻省理工学院赵选贺团队提出基于磁化磁场辅助的3D打印软体机器人技术，在该方法中，含有铁磁微粒的弹性体复合材料作为3D打印的油墨。打印过程中，在喷管处施加一个可编程方向的磁场，使粒子沿着所施加的磁场下重新定向，从而使打印出来的丝状物具有带图案的磁极。该方法存在一定的局限性，由于该体系强依赖于磁畴组间的相互作用，限定了磁化特性的优化路径和调控空间，仅能实现径向二维磁矩的调控。
德国马普智能系统研究所团队提出了一种基于激光加热辅助微米尺度下的精确编程或者修正软体磁化方向的方法，该方法是通过在软磁性材料上加热辅助磁性编程来实现的，方法是加热到硬磁性颗粒的居里温度以上(区域半径可达808nm)，并在冷却过程中将其磁畴与外部磁场重新定向，如下图所示。通过热辅助磁化，可以离散编码3D中的变形指令，并根据需要以高分辨率重新编程。该方法适用于磁性软体机器人的磁矩二次调控，单受制于激光加热深度，一般仅限于超薄型机器人磁化调控。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种磁性软体机器人的可控磁化光固化打印装置及方法，旨在解决目前磁性软体机器人制备过程中无法实现内部精确高效的三维磁矩调控的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种磁性软体机器人的可控磁化光固化打印装置，包括：混合基液池、磁场发生装置、紫外阵列光源以及承载台；
所述混合基液池用于注入混合液体，所述混合液体包括液态光敏树脂和磁性颗粒；所述磁性颗粒已经经过磁化处理；
所述磁场发生装置用于向混合基液池内的混合液体提供一个三维空间方向可任意控制的磁场，以对混合液体预设区域内的磁性颗粒进行预设磁场方向的磁化取向；
所述承载台的承载面一侧正对混合基液池的上方，所述承载台可以上下方向移动，移动到底部时其承载面可以置于所述混合液体内；
所述紫外阵列光源置于混合基液池的下方，当所述承载面置于混合液体内时，所述紫外阵列光源用于向指定区域的混合液体发射紫外光，使得指定区域的混合液体在所述紫外光的作用下固化至所述承载台的承载面；其中，所述液态光敏树脂在紫外光作用下会发生固化，并带动对应区域的混合液体发生固化；
通过所述磁场发生装置控制混合液体在不同预设区域内磁性颗粒的磁化方取向，并控制紫外阵列光源向磁化后的各个预设区域发射紫外光，使得各个预设区域的混合液体固化至所述承载面，且各个预设区域可以分层固化至所述承载面，所有固化至承载面的结构组成打印好的磁性软体机器人；其中，对每个预设区域先进行磁化取向，然后再固化至承载面，以此重复操作，直至将磁性软体机器人打印完毕。
在一个可选的示例中，所述混合液体还包括软体材料。
在一个可选的示例中，所述磁场发生装置由三组亥姆霍兹线圈组成，每组亥姆霍兹线圈包括两个同轴设置的线圈，两个同轴设置的线圈中间设有间隔空间，各组亥姆霍兹线圈包括的两个线圈均沿所述间隔空间同轴对称设置；通过控制每组亥姆霍兹线圈的轴向方向和/或电流大小，以在所述间隔空间产生任意方向的合成磁场。
在一个可选的示例中，所述磁场发生装置由两个对立放置的永磁体组成，永磁体放置于混合基液池的两侧，通过改变两个永磁体的磁极方向，使两个永磁体的中间区域产生任意方向的合成磁场。
在一个可选的示例中，该装置还包括：棱镜；
所述棱镜置于混合基液池的下方；
所述紫外阵列光源配合棱镜向所述指定区域的混合液体发射紫外光。
在一个可选的示例中，针对磁性软体机器人同一层的不同区域，通过控制所述紫外阵列光源和棱镜对指定区域进行固化；
针对磁性软体机器人同一区域的不同层，对该区域的上一层固化后，先控制承载台向上运动指定距离，后控制所述紫外阵列光源和棱镜对该区域的下一层进行固化。
其中，承载台向上运动的指定距离与磁性软体机器人的固化厚度有关。
在一个可选的示例中，该装置还包括：升降装置；
所述升降装置用于控制承载台进行上下方向的移动。
第二方面，本发明提供了一种磁性软体机器人的可控磁化光固化打印方法，包括如下步骤：
确定待固化打印的混合液体，所述混合液体包括液态光敏树脂和磁性颗粒；所述磁性颗粒已经经过磁化处理；
向混合液体提供一个三维空间方向可任意控制的磁场，以对混合液体预设区域内的磁性颗粒进行预设磁场方向的磁化取向；
确定磁性软体机器人的承载台；所述承载台的承载面一侧正对混合液体的上方，所述承载台可以上下方向移动，移动到底部时其承载面可以置于所述混合液体内；
当所述承载面置于混合液体内时，向指定区域的混合液体发射紫外光，使得指定区域的混合液体在所述紫外光的作用下固化至所述承载台的承载面；其中，所述液态光敏树脂在紫外光作用下会发生固化，并带动对应区域的混合液体发生固化；
通过磁场控制混合液体在不同预设区域内磁性颗粒的磁化方取向，并向磁化后的各个预设区域发射紫外光，使得各个预设区域的混合液体固化至所述承载面，且各个预设区域可以分层固化至所述承载面，所有固化至承载面的结构组成打印好的磁性软体机器人；其中，对每个预设区域先进行磁化取向，然后再固化至承载面，以此重复操作，直至将磁性软体机器人打印完毕。
在一个可选的示例中，所述混合液体还包括软体材料。
在一个可选的示例中，针对磁性软体机器人同一层的不同区域，通过控制紫外光入射的方向对指定区域进行固化；
针对磁性软体机器人同一区域的不同层，对该区域的上一层固化后，先控制承载台向上运动指定距离，后控制紫外光对该区域的下一层进行固化。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明所提供的磁性软体机器人的可控磁化光固化打印装置及方法，光固化打印装置效率较高，且通过优先控制三维空间磁场发生装置在间隔空间内产生方向可控的磁场，以使混合基液池的磁性颗粒发生磁化取向，后控制光敏树脂固化单元使指定区域发生固化，经过多次固化和不同方向取向后能够得到预设磁矩的磁性软体机器人，提高了磁性软体机器人运动模式的多样性。
本发明所提供的磁性软体机器人的可控磁化光固化打印装置及方法，一方面，采用的取向磁场装置为三维电磁线圈系统，可通过三个维度的线圈通流大小可以获得任意的、精准的取向磁场；另一方面，采用的取向磁场装置还可以由两个对立放置的永磁体组成，永磁体放置于混合基液池的两侧，通过改变两个永磁体的磁极方向，使两个永磁体的中间区域产生任意方向的合成磁场；均无需额外磁场测量装置来反馈所需磁场大小和方向。同时，可在较大区域形成均匀磁场，对于样品的位置放置精度要求不高，且不会引入磁场梯度，可避免粒子的定向堆积或磁化不均匀。
附图说明
图1是本发明实施例提供的磁性软体机器人的可控磁化光固化打印装置的示意图。
图2是本发明实施例提供的预设的圆环形磁性软体机器人结构及磁矩示意图。
图3是本发明实施例提供的在空间磁场的作用下，打印环形磁性软体机器人的区域①时装置工作状态图。
图4是本发明实施例提供的环形磁性软体机器人区域①完成打印后的示意图。
图5是本发明实施例提供的在垂直向上驱动磁场的作用下，打印完成后的环形磁性软体机器人的形变状态示意图。
图6是本发明实施例提供的在垂直向下驱动磁场的作用下，打印完成后的环形磁性软体机器人的形变状态示意图。
图7是本发明实施例提供的一种磁性软体机器人的可控磁化光固化打印方法的流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为三维空间磁场发生装置，2为混合基液池，3为紫外(UV)阵列光源及棱镜部件，4为底座，5为承载台及升降装置，6为待打印的磁性软体机器人，7为环形磁性软体机器人的几何形状基底，8为环形磁性软体机器人打印过程中的区域①。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明属于磁性软体机器人领域，更具体地，涉及一种磁性软体机器人的可控磁化光固化打印装置及方法。该可控磁化光固化打印装置包括光敏树脂固化单元和三维空间磁场发生装置，光敏树脂固化单元包括紫外(UV)阵列光源、磁化后的磁性颗粒、硅胶/水凝胶等软体材料、棱镜部件、混合基液池、承载台和升降装置，三维空间磁场发生装置包括三维亥姆霍兹线圈。该系统在打印过程中根据各区域不同的磁化方向，在指定方向的空间磁场环境下，对该区域进行局部紫外光固化，由于三维空间磁场发生装置能够在间隔空间中产生任意方向的空间均匀磁场，故对于任何一个区域都能够实现三维磁矩调控。本发明提供的磁性软体机器人的可控磁化光固化打印装置及方法通过协同控制空间磁场方向与指定区域的光固化，从而实现了可控三维磁矩磁性软体机器人的制备过程，提高了磁性软体机器人磁化路径调控的灵活性。
图1是本发明实施例提供的磁性软体机器人的可控磁化光固化打印装置的示意图。如图1所示，该装置包括：光敏树脂固化单元、三维空间磁场发生装置1以及底座4。
光敏树脂固化单元包括：紫外(UV)阵列光源3、磁化后的磁性颗粒、硅胶/水凝胶等软体材料、棱镜部件、混合基液池2、承载台和升降装置5。
三维空间磁场发生装置由三组亥姆霍兹线圈组成，其中，每组亥姆霍兹线圈包括两个同轴设置的线圈，两个同轴设置的线圈中间设有间隔空间，由于其特定的几何尺寸，任意一组线圈的间隔空间内磁场认为是均匀磁场；各组亥姆霍兹线圈包括的两个线圈均沿所述间隔空间同轴对称设置；每组亥姆霍兹线圈的两个线圈通入相同大小的电流，在其轴向产生磁场，每组亥姆霍兹线圈的轴向可任意设置，以在所述间隔空间产生任意方向的合成磁场；
另外，三维磁场发生装置还可以由两个对立放置的永磁体组成，永磁体放置于混合基液池的两侧，通过改变两个永磁体的磁极方向，使两个永磁体的中间区域产生任意方向的合成磁场。
可以理解的是，只要是满足可以提供一个三维方向可控磁场的磁场发生装置，均应当属于本发明的保护范围内。
所述光敏树脂固化单元放置于三维空间磁场发生装置的间隔空间；所述紫外(UV)阵列光源位于混合基液池的下方，以对混合基液施加紫外光，通过控制光源与棱镜部件，在预设需求设定下使指定区域的混合基液发生固化；所述混合基液池中的混合液体由光敏树脂与磁化后的磁性颗粒、硅胶或水凝胶等软体材料按一定比例混合而成。
所述承载台置于所述三维空间磁场发生装置的间隔空间，用于承载磁性软体机器人；所述升降装置用于控制承载台进行垂直方向的运动。
该装置打印时，首先根据磁性软体机器人的几何形状，通过控制紫外(UV)阵列光源和棱镜部件，以使相应几何形状区域的混合液体固化并作为基底；然后控制三维空间磁场发生装置中三组亥姆霍兹线圈的电流输入，在间隔空间内产生指定方向的合成磁场，以使所述混合基液池的磁性颗粒发生指定转向；针对同一层的不同区域，通过控制所述紫外(UV)阵列光源和棱镜部件对指定区域进行固化；针对不同层的区域，通过控制升降装置使承载台向上运动，后控制所述紫外(UV)阵列光源和棱镜部件对指定区域进行固化；最后在预设驱动磁场的作用下，使完成充磁后的磁性软体机器人实现目标形变状态。
其中，同一区域的不同层的磁矩方向可以相同，也可以不同。
在一个具体的实施例中，以打印制作圆环形磁性软体机器人为例进行说明，预设的圆环形磁性软体机器人结构及磁矩示意图如图2所示。图2中，磁性软体机器人共分成①-⑧8个区域，每个区域内的磁矩方向不同。
为了打印如图2所示的圆环形磁性软体机器人，针对不同的磁矩方向，将圆环区域分成8个区域。具体地，打印步骤主要分为2个步骤。
图3为在空间磁场的作用下，打印环形磁性软体机器人的区域①时装置工作状态图。具体地，如图3所示，步骤一是在不给三维空间磁场发生装置通入电流的情况下，控制紫外(UV)阵列光源和棱镜部件，以使相同尺寸的圆环区域经紫外光照射，混合液体发生固化，从而形成环形基底7。
具体地，步骤二是首先通过控制三维空间磁场发生装置使间隔空间内产生与区域①方向一致的均匀磁场，后控制紫外(UV)阵列光源和棱镜部件，以使区域①的混合液体经紫外光照射发生固化8，最后可以通过升降装置打印多层。图4为环形磁性软体机器人的区域①完成打印后的示意图。
相应地，区域②-⑧可以通过同样的方法实现打印。
图5为在垂直向上驱动磁场的作用下，打印完成后的环形磁性软体机器人的形变状态示意图。图6为在垂直向下驱动磁场的作用下，打印完成后的环形磁性软体机器人的形变状态示意图。
参见图5和图6所示，可见在垂直向上或向下的驱动磁场的作用下，环形磁性软体机器人会发生相应的形变，从而可以利用打印好的磁性软体机器人进入有限的封闭空间，在医疗诊断、环境检测和空间探测等多领域展现出广泛的应用前景。
进一步地，本发明提供一种磁性软体机器人的可控磁化光固化打印方法，如图7所示，具体包括如下步骤：
S101，确定待固化打印的混合液体，所述混合液体包括液态光敏树脂和磁性颗粒；所述磁性颗粒已经过磁化；
S102，向混合液体提供一个三维空间方向可任意控制的磁场，以对混合液体预设区域内的磁性颗粒进行预设磁场方向的磁化取向；
S103，确定磁性软体机器人的承载台；所述承载台的承载面一侧正对混合液体的上方，所述承载台可以上下方向移动，移动到底部时其承载面可以置于所述混合液体内；
S104，当所述承载面置于混合液体内时，向指定区域的混合液体发射紫外光，使得指定区域的混合液体在所述紫外光的作用下固化至所述承载台的承载面；其中，所述液态光敏树脂在紫外光作用下会发生固化，并带动对应区域的混合液体发生固化；
S105，通过磁场控制混合液体在不同预设区域内磁性颗粒的磁化方取向，并向磁化后的各个预设区域发射紫外光，使得各个预设区域的混合液体固化至所述承载面，且各个预设区域可以分层固化至所述承载面，所有固化至承载面的结构组成打印好的磁性软体机器人；其中，对每个预设区域先进行磁化取向，然后再固化至承载面，以此重复操作，直至将磁性软体机器人打印完毕。
在一个更具体的实施例中，本发明提供一种基于上述光固化打印装置的磁性软体机器人打印方法，包括如下步骤：
S1、根据磁性软体机器人的几何形状，通过控制紫外(UV)阵列光源和棱镜部件，以使相应几何形状区域的混合液体固化并作为基底；
S2、根据不同区域的预编程磁化方向，通过控制三维空间磁场发生装置中三组亥姆霍兹线圈的电流输入，在间隔空间内产生指定方向的合成磁场，以使所述混合基液池的磁性颗粒发生转向(磁化取向)；
S3、针对同一层的不同区域，通过控制所述紫外(UV)阵列光源和棱镜部件对指定区域进行固化；
S4、针对不同层的区域，通过控制升降装置使承载台向上运动，后控制所述紫外(UV)阵列光源和棱镜部件对指定区域进行固化；
S5、在预设驱动磁场的作用下，使完成充磁后的磁性软体机器人实现目标形变状态。
优先地，步骤S1所述紫外(UV)阵列光源和棱镜部件在控制单元的调控下，以使指定区域接受到紫外光，光敏树脂在紫外光的作用下发生固化。
优先地，步骤S2所述合成磁场为均匀磁场。
优先地，步骤S2所述三组亥姆霍兹线圈系统可由其他三维磁场线圈系统代替。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁性软体机器人的可控磁化光固化打印装置，其特征在于，包括：混合基液池、磁场发生装置、紫外阵列光源以及承载台；
所述混合基液池用于注入混合液体，所述混合液体包括液态光敏树脂和磁性颗粒；所述磁性颗粒已经经过磁化处理；
所述磁场发生装置用于向混合基液池内的混合液体提供一个三维空间方向可任意控制的磁场，以对混合液体预设区域内的磁性颗粒进行预设磁场方向的磁化取向；
所述承载台的承载面一侧正对混合基液池的上方，所述承载台可以上下方向移动，移动到底部时其承载面可以置于所述混合液体内；
所述紫外阵列光源置于混合基液池的下方，当所述承载面置于混合液体内时，所述紫外阵列光源用于向指定区域的混合液体发射紫外光，使得指定区域的混合液体在所述紫外光的作用下固化至所述承载台的承载面；其中，所述液态光敏树脂在紫外光作用下会发生固化，并带动对应区域的混合液体发生固化；
通过所述磁场发生装置控制混合液体在不同预设区域内磁性颗粒的磁化方取向，并控制紫外阵列光源向磁化后的各个预设区域发射紫外光，使得各个预设区域的混合液体固化至所述承载面，且各个预设区域可以分层固化至所述承载面，所有固化至承载面的结构组成打印好的磁性软体机器人；其中，对每个预设区域先进行磁化取向，然后再固化至承载面，以此重复操作，直至将磁性软体机器人打印完毕。
2.根据权利要求1所述的可控磁化光固化打印装置，其特征在于，所述混合液体还包括软体材料。
3.根据权利要求1所述的可控磁化光固化打印装置，其特征在于，所述磁场发生装置由三组亥姆霍兹线圈组成，每组亥姆霍兹线圈包括两个同轴设置的线圈，两个同轴设置的线圈中间设有间隔空间，各组亥姆霍兹线圈包括的两个线圈均沿所述间隔空间同轴对称设置；通过控制每组亥姆霍兹线圈的轴向方向和/或电流大小，以在所述间隔空间产生任意方向的合成磁场。
4.根据权利要求1所述的可控磁化光固化打印装置，其特征在于，所述磁场发生装置由两个对立放置的永磁体组成，永磁体放置于混合基液池的两侧，通过改变两个永磁体的磁极方向，使两个永磁体的中间区域产生任意方向的合成磁场。
5.根据权利要求1所述的可控磁化光固化打印装置，其特征在于，还包括：棱镜；
所述棱镜置于混合基液池的下方；
所述紫外阵列光源配合棱镜向所述指定区域的混合液体发射紫外光。
6.根据权利要求5所述的可控磁化光固化打印装置，其特征在于，针对磁性软体机器人同一层的不同区域，通过控制所述紫外阵列光源和棱镜对指定区域进行固化；
针对磁性软体机器人同一区域的不同层，对该区域的上一层固化后，先控制承载台向上运动指定距离，后控制所述紫外阵列光源和棱镜对该区域的下一层进行固化。
7.根据权利要求1至6任一项所述的可控磁化光固化打印装置，其特征在于，还包括：升降装置；
所述升降装置用于控制承载台进行上下方向的移动。
8.一种磁性软体机器人的可控磁化光固化打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定待固化打印的混合液体，所述混合液体包括液态光敏树脂和磁性颗粒；所述磁性颗粒已经经过磁化处理；
向混合液体提供一个三维空间方向可任意控制的磁场，以对混合液体预设区域内的磁性颗粒进行预设磁场方向的磁化取向；
确定磁性软体机器人的承载台；所述承载台的承载面一侧正对混合液体的上方，所述承载台可以上下方向移动，移动到底部时其承载面可以置于所述混合液体内；
当所述承载面置于混合液体内时，向指定区域的混合液体发射紫外光，使得指定区域的混合液体在所述紫外光的作用下固化至所述承载台的承载面；其中，所述液态光敏树脂在紫外光作用下会发生固化，并带动对应区域的混合液体发生固化；
通过磁场控制混合液体在不同预设区域内磁性颗粒的磁化方取向，并向磁化后的各个预设区域发射紫外光，使得各个预设区域的混合液体固化至所述承载面，且各个预设区域可以分层固化至所述承载面，所有固化至承载面的结构组成打印好的磁性软体机器人；其中，对每个预设区域先进行磁化取向，然后再固化至承载面，以此重复操作，直至将磁性软体机器人打印完毕。
9.根据权利要求8所述的可控磁化光固化打印方法，其特征在于，所述混合液体还包括软体材料。
10.根据权利要求8或9所述的可控磁化光固化打印方法，其特征在于，针对磁性软体机器人同一层的不同区域，通过控制紫外光入射的方向对指定区域进行固化；
针对磁性软体机器人同一区域的不同层，对该区域的上一层固化后，先控制承载台向上运动指定距离，后控制紫外光对该区域的下一层进行固化。
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