图1. 微纳米驱动器（图片来源于网络）
你知道图中这个小家伙是什么吗？它是一个微纳米级小型驱动器，可用于未来的医学研究和治疗。它能够快速识别特定的病变细胞，并且，能在外部刺激下（比如光、热、磁等）进行有效的抓取。厉害吧？这种“微驱动器”是指产生能量变换与信息变换的微执行机构。它们是实现微小器件运动、微机器人自动化作业等的关键，有望应用于细小管道、高温危险区域的检测维护以及医疗等方面。
但是，微驱动器的制备很复杂，它们由多种材料组装而成，需要在不同材料的基础上来实现不同的功能。传统的制造方法是通过模具设计，然后减材制造成型来完成，工艺设备很复杂。而且，一般的加工精度在100~200微米左右，相对较低。此外，这种制造方法还存在个性化定制困难、装配难度大、制造速度慢以及原材料浪费等诸多问题。因此，复杂结构下的多材料组合和装配，是微驱动器构筑和研究所面临的主要瓶颈问题之一。
那么，有没有一个简便易行的解决方案呢？有，多材料3D打印制造技术。与传统的成型技术不同，3D打印技术能高度融合数字化三维模型技术，借助激光、数控等手段，通过将原料层层堆积的方式，无需采用任何模具，就可以直接实现有机高分子、金属、陶瓷等材料快速打印成型。它能够生产出传统成型工艺难以制造、甚至无法制造的复杂结构，具有个性化、快速化、一体化、高精密和节约化等特点，尤其适合单件或小批量的任意复杂结构制件的精密制造。因此，选择3D打印技术来实现微驱动器的制备具有巨大的发展潜力。
日前，中国科学院兰州化学物理研究所王晓龙研究员带领的团队就在用3D打印技术制造微驱动器方面取得了新成果。科研人员采用多材料3D打印技术，制造了一些包含磁性和非磁性部分的分段组合的柔性驱动器。
我们知道，柔性驱动器的组成如果全部是磁性材料，那么整个柔性器件会均匀受力进而收缩成一团，就像一堆磁力球，全都吸到一块了；而如果全部都是非磁性材料的话，那驱动器在磁场作用下就无法产生力的作用，那就像一堆塑料球，散落一地。所以，只有将两种或者多种材料组合在一起，柔性驱动器才能在特定部位、定点产生对应的磁力，进而实现发挥它的作用。
普通的商用数字化处理（Digital Light Process，DLP）3D打印机只有一个盛放液态树脂的料槽进行光固化打印，无法进行多种材料的自由切换。因此，研究人员在料槽底部加装了一个可移动的滑轨，这样就能实现双料槽的自由切换了（如图2中动图所示）。此外，研究人员还研制了一种适用于DLP 3D打印的柔性树脂，并在柔性树脂中引入了Fe3O4纳米颗粒（如图2中的黑色部分），让它具有磁致驱动功能。
图2. 双（多）材料3D打印示意图（上）及成型件照片和电子显微镜图（下）。其中，蓝色为硬材料，黄色为软材料，黑色为磁性材料。
因此，使用这种改进的3D打印机，以及所研制发展的柔性、磁性树脂材料，研究人员可以很好地将含有磁性和非磁性的部分进行分段组合，并一次性打印成型，实现了柔性驱动器的免装配制造（图2）。
研究表明，这个驱动器的磁性和非磁性两种树脂之间具有很好的结合力，能够在磁场作用下进行有效的磁性驱动，从而实现弯曲、变形与运送货物等功能。
为了验证这个概念，研究人员还用这个技术打印制作了一个能够远程控制的抓取器。这个抓取器由弧形的磁性材料（图3中黑色部分）与拱形的非磁性材料（图3中黄色部分）组成。磁性部分是产生磁力部分，而非磁性的较薄部分为整体受力弯曲点。通过调控磁场强度，就可以让抓取器的磁性部分能够自由的收缩与伸展，在此过程中实现抓取、传送以及释放的功能。
图3. 多材料3D打印柔性驱动器的磁致弯曲、变形与运送货物等功能演示。图中，黄色部分为柔性打印树脂，非磁性段；黑色部分为加入了四氧化三铁纳米颗粒的磁性树脂，磁性段。Magnet：磁铁；Deformation:形变；Match-like array:火柴状阵列结构；Gripper:抓取器。
图4 基于黑色磁性段在磁场控制下的受力发生变形、弯曲以及抓取器抓取、运送以及释放物体的过程演示。图中，当磁场强度增大时，黑色磁性头收紧，把物体抓起来，当磁场强度减小时，黑色磁性头分开，物体就被放下来
这种简单易行、通用的多材料3D打印技术将能够很好地拓展3D打印在远程控制释放与柔性机器人等方面的应用。
该工作近期在线发表在 Adv. Mater. Interfaces（2017, DOI:10.1002/admi.201700629）上。工作得到了国家自然科学基金、中科院“西部之光”人才培养计划、兰州化物所特聘人才和“一三五”重点培育项目以及甘肃普锐特科技有限公司的资助和支持。
