蜘蛛狀抓取器（六足結構）（上圖：打印前；下圖：打印后）

麻省理工學院的工程師們發明了一種柔軟的3D打印結構，其運動可以用磁力來控制，就像沒有弦的木偶一樣。能被磁化控制的復雜結構包括一個光滑的環狀褶皺，一個可以擠壓閉合的長管，一張可以折疊的面板，還有一個蜘蛛狀的“抓鉤”，它可以爬行、滾動、跳躍，并以足夠快的速度抓住傳球。該成果于6月13日發表在《自然》雜志上。

研究人員使用了一種新型的、注入了微小的磁性顆粒的3D打印墨水制造出以上結構。他們在3D打印機的噴頭上安裝了一個電磁體，當墨水通過噴頭輸入時，磁性微粒就會向單一方向擺動。通過控制結構中各個組分的磁場方向，研究人員制造出的結構和設備可以瞬間轉變成復雜的結構，甚至可以在各個部分響應外部磁場時四處移動。

麻省理工學院機械工程系和土木與環境工程系的Xuanhe Zhao教授表示，該技術可能被用于制造磁控生物醫學設備。

該團隊的磁激活結構屬于軟驅動裝置的范疇——柔軟的、可塑的材料，它們被設計成通過各種機械手段來變形或移動。例如，當溫度或pH變化時，水凝膠裝置膨脹；形狀記憶聚合物和液晶彈性體在足夠的刺激下(如熱或光)發生變形；氣動和液壓裝置可由泵入其中的空氣或水驅動；介電彈性體在電壓作用下拉伸。但是水凝膠、形狀記憶聚合物和液晶彈性體反應緩慢，需要一定時間才能內改變形狀。空氣和水驅動設備需要管道將它們連接到泵上，這使得它們在遠程控制應用中效率低下。介電彈性體需要高電壓，通常在1000伏以上。

“目前還沒有軟體機器人能在像人體內部一樣的密閉空間里進行任務，這就是為什么我們認為磁驅動的概念有很大的希望，因為它是快速的，有力的，身體友好的，并且可以遠程控制。”文章的作者之一Yoonho Kim說道。

研究小組沒有使用相同方向的磁性粒子來制造結構，而是尋找創造磁性“域”的方法——每個部分都有不同方向的磁性粒子。當暴露在外部磁場中時，每個部分都應該以不同的方式運動，這取決于粒子對磁場的響應方向。通過這種方式，小組推測結構應該可以進行更復雜的連接和運動。

使用新的3D打印平臺，研究人員可以打印出一個結構的部分或區域，并通過改變打印機噴嘴的電磁鐵方向來調整特定領域內磁粒子的方向。該團隊還開發了一個物理模型，可以預測打印出來的結構在磁場下會如何變形。考慮到印刷材料的彈性、結構中域的格局以及施加外部磁場的方式，該模型可以預測整體結構的變形或移動方式。

除了一個波紋狀的圓環、一個自擠壓管和一個蜘蛛狀的抓地器，研究小組還打印了其他復雜的結構，比如一組“增大”結構，這些結構迅速地沿著兩個方向收縮或擴張。

“我們開發了一個打印平臺和一個預測模型供其他人使用。人們可以設計自己的結構和領域模式，用模型驗證它們，并打印它們來實現各種功能。通過對結構、領域和磁場等復雜信息的編程，甚至可以打印出機器人等智能產品。”Zhao介紹道。