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隨着科技的不斷進步，4D打印技朮在智能制造和軟體機器人領域的應用日益重要。李振坤副教授的研究團隊通過創新性的磁控4D打印技朮，這項技朮不僅在機器人、神經修復、醫療康復等領域具有廣泛潛力，還推動了智能制造設備的產業化應用。
隨着科技的不斷進步，智能制造和自適應材料正逐漸成為多個領域中的重要研究方向。近年來4D打印技朮作為一種新興的前沿技朮，因其能夠實現結搆在外部刺激下自我變形，廣泛受到關注。尤其在智能材料和軟體機器人領域，4D打印為創造更高效、靈活的機器人系統提供了新的可能性。北京交通大學的李振坤副教授和他的課題組，正是通過一系列創新性技朮的提出，推動了這一領域的發展。
李振坤副教授專注於4D打印技朮、智能材料以及新型軟體機器人的研究。他首次提出了模仿阿米巴蟲的軟體機器人“流變機器人”/Rheobot，并創新性地提出了磁控4D打印光固化技朮。李振坤課題組開發的磁性水凝膠材料與光固化技朮高度兼容，既具備卓越的4D打印性能，又能在光固化過程中保持良好的穩定性。
基於此，研究團隊提出了一種新型4D打印方法，結合了光固化技朮與直接墨水書寫/Direct Ink Writing，簡稱DIW打印，顯著減少了磁性智能結搆成型的時間。
傳統的加熱固化方法需要數十分鐘，而磁控4D光固化技朮將每一層固化與充磁的時間縮短到几秒鐘甚至更短，大大提高了生產效率。該研究提出了一種快速制造智能結搆的新方案，預示着該技朮在制造可變剛度的智能關節結搆方面具有潛在應用，尤其在人形機器人中。由於其材料具備良好的環境適應性，這項技朮還可能應用於深海探測等極端環境中，用於原位制造或修復智能結搆。
此外，這項技朮也可用於制造神經修復的植入體，通過體內原位4D打印，促進神經再生和康復治療；與此同時，它還可能在胃腸道疾病的精准治療中發揮作用，例如藥物遞送和異物清除等。
填補領域空白，實現磁性水凝膠的4D打印
水凝膠因其出色的生物兼容性，廣泛應用於生物醫學等多個領域。然而，傳統軟材料執行器常面臨響應速度慢、控制精度差等問題，限制了其在高精度要求環境中的應用。
為了解決這一挑戰，李振坤課題組將光固化技朮與磁控4D打印技朮相結合，創新性地開發出了一種新型磁性水凝膠材料。這種材料不僅具備優異的流變、磁化和光固化特性，還能在狹小的打印頭空間內快速從液態轉變為固態，并完成磁化過程。
傳統的光固化方法通過光照使材料固化，并利用提拉法將其從樣品池中提取出來。然而，由於4D打印要求對局部材料的磁疇進行精確“編程”，傳統固化方法無法滿足這一需求。
通過查閱大量文獻，研究人員發現，現有的光固化水凝膠材料尚未能支持原位4D打印技朮的應用，也缺乏相關的工藝方案。這為課題組提供了新的研究契機。
為了解決上述問題，該團隊提出了一種全新的直接擠出式打印方法。他們設計了兩個獨立的打印頭：一個用於擠出材料，并借助材料自身的流變特性暫時固定其形狀；另一個則緊隨其后，利用紫外光對材料進行徹底固化。
李振坤解釋道，“這種方式就像臨摹字帖一樣，4D打印頭每擠出一層材料，紫外光便隨之照射，實現即時固化。我們希望通過這種光固化的磁性水凝膠材料與4D打印技朮的結合，制造出具有快速響應與高精度控制能力的新型軟執行器。”
4D打印的關鍵挑戰在於如何在狹小的打印頭空間內，同時完成材料從液態到固態的定型，并使其在過程中磁化。
水凝膠的屈服應力通常難以提升，這導致材料在光固化前難以保持穩定。為了解決這一問題，課題組提出了一個新思路：是否可以讓材料內部形成更為立體的自組裝結搆？
為此，他們引入了一種二維材料：人造黏土。在這種材料中，磁性顆粒形成了柱狀骨架，黏土層板吸附在骨架上，起到保護作用，進而搆建出一種復合結搆，從而提升材料的強度。令人意外的是，課題組成員在一次“誤操作”中發現，某種成分與光固化單體的搭配使得材料展現出優異的高強韌性。通過進一步的機理分析，研究人員確定了這一“理想配方”。
在后續研究中，團隊對人造黏土和磁性顆粒（釹鐵硼顆粒）進行了有機改性，使二維層板結搆與微納米顆粒形成的柱狀結搆能夠自組裝。這一改進顯著提升了材料的屈服應力和剪切變稀特性，賦予其更好的打印性能，并且可以在紫外光照射之前進行預成型。
通過這種光固化的磁性水凝膠材料與4D打印工藝，固化時間從傳統的几十分鐘大幅縮短至几秒鐘，大大提升了打印效率。
與傳統基於硅基材料的磁性編程4D打印技朮相比，該研究通過將打印過程中的顆粒充磁與磁疇定向這兩個步驟整合，成功實現了更快的打印速度和更高的精度，為制造具有快速響應和高精度控制的新型軟執行器奠定了基礎。
最終，相關研究成果以“基於光固化磁性水凝膠的磁性智能結搆的4D打印”/4D printing of magnetic smart structures based on light-cured magnetic hydrogel為題，發表於“化學工程學報”/Chemical Engineering Journal。
計划成立初創公司，將技朮從實驗室向產業化推動
目前，桌面級3D打印機已經在教學、展示和創意制作等多個領域得到了廣泛應用。然而，桌面級4D打印機仍然尚未進入市場。
李振坤帶領的團隊自主研發了首款多功能桌面級4D打印機“Mag 4D Printer”，作為智能制造領域的顛覆性技朮，它入選了2024年中關村論壇常設展，并已在AI教育等多個應用場景中得到了應用。“目前，我們正與中國科技館合作，開發更多適用於展示和DIY制作的桌面級4D打印設備。”李振坤表示。
輕量化非金屬結搆不僅能夠有效減輕重量，還能降低成本，但在實際應用中常面臨強度不足的問題。李振坤團隊結合磁控技朮與熔絲制造3D打印技朮，創新性地開發了一種增強4D打印方法，通過精確排列復合縴維，在打印過程中實現零件定向結搆增強，這項技朮可以替代人形機器人中的部分金屬結搆件。
此外，團隊還將4D打印技朮與磁流變技朮結合，開發了一種變剛度軟體夾持方法。這種方法不僅顯著提升了夾持重量和穩定性，還使得軟體抓手具備更高的自適應性，能夠滿足人形機器人靈巧手的需求。
據了解，李振坤團隊即將推出工業級4D打印機Mag4D Plus，為人形機器人、低空經濟、航空航天等領域的客戶提供輕量化、智能化的搆件設計與制造一體化解決方案。
未來一至兩年內，團隊計划成立初創公司，將這些技朮推向產業應用，包括與醫療康復研究機搆和學者合作，共同開發可定制的4D打印手部康復產品，并基於這一技朮開發人形機器人可變剛度關節等產品。
“液體變形金剛”，像阿米巴蟲那樣靈活“變變變”
李振坤本科畢業於北京科技大學機械工程與自動化專業，隨后攻讀材料科學與工程專業的碩士學位，并在北京交通大學機械與電子控制工程學院完成博士學位，師從李德才教授，主要從事磁控智能材料的理論與應用研究。博士后期間，他在清華大學機械系擔任博士后和助理研究員。
李振坤的研究方向深受軟物質理論創始人、諾貝爾物理學獎得主皮埃爾-吉勒·德熱納/Pierre-Gilles de Gennes啟發。德熱納曾設想過一個通過磁場調控相變的智能軟物質體系。
李振坤回憶道，“這個概念深深吸引了我，我堅信軟物質的智能化將成為一條革命性的道路，它將打破目前機器人等高端裝備多以剛性材料制造、且驅動與結搆分離的傳統模式。”
目前，許多軟體機器人基於彈性體（如橡膠）的柔韌性，這些材料能夠模仿像章魚等高級軟體動物的連續變形特性。軟體機器人可以替代傳統的剛性執行機搆，在抓取任務中展現出更好的適應性，而不需要精確的編程和傳感器控制。然而，這些變形模式通常是固定的，橡膠的變形和恢復方式是在設計時就已經設定好的。
他意識到，在更廣泛的移動應用場景中，橡膠等彈性體的變形方式并非最柔軟的形式。受到單細胞生物阿米巴蟲（變形蟲）的啟發，李振坤於2023年首次提出了流變機器人的概念，這是一種結合智能材料與4D打印技朮的新型機器人。
從材料角度來看，流變機器人釆用了該課題組自主研發的磁控流變記憶材料。該材料不僅能對外界刺激做出響應，還具有記憶性。通過外部磁場的作用，材料能夠在凝膠和溶膠之間轉化，從而調整機器人的內部結搆，模擬類似阿米巴蟲的運動方式。
得益於磁控流變記憶材料的高響應性，流變機器人在面對環境變化時能夠快速調整自身結搆，提升了其適應性和靈活性。
在動作與控制方面，流變機器人能夠模仿單細胞生物的偽足運動，具備無限自由度和連續變形能力。這使得流變機器人在執行復雜任務時能夠靈活應對各種挑戰，例如在體內進行精准控制，或在軍事偵察任務中實現隱蔽行動。
流變機器人內嵌的柔性傳感器使其能夠實時感知內部材料的分布與流動狀況，從而實現智能控制。這種控制能力使得機器人在任務執行過程中能夠自主調整姿態與動作，提升效率和准確性。
目前，團隊正在進行流變機器人的驗證性實驗，并與北京大學人民醫院合作，探索其在腫瘤治療中的應用，特別是在捕捉血液中循環腫瘤細胞/CTC方面。CTC是腫瘤晚期患者血液中的腫瘤細胞，能夠在身體的任何部位“定居”，治療難度極大。
如果能夠設計出類似小液滴的流變機器人，并在其表面附着敏感蛋白（如抗體），使其能夠定向尋找癌細胞，并利用交變磁場產生的磁熱效應使流變機器人的局部溫度升高至50℃，有可能殺死癌細胞。此外，流變機器人還可作為“體內創可貼”治療胃出血。借助醫學影像技朮，流變機器人能精准到達出血點，原位完成凝固，并攜帶止血藥物加速傷口愈合，從而減輕患者痛苦。
隨着科學技朮的日益發展，4D打印技朮和智能材料的結合正在逐步顛覆傳統制造和醫療領域的格局。從基礎研究到實際應用，李振坤及其團隊的創新探索不僅為軟體機器人、醫療技朮以及工業制造提供了全新的解決方案，更讓我們看到了未來智能化、自動化的無限可能。
流變機器人技朮的不斷進步，我們正在邁向一個能夠自適應、靈活應對各種環境挑戰的時代。從人形機器人的精准控制到體內治療中的創新應用，這些技朮的突破將深刻影響社會生活的方方面面，甚至可能重新定義我們與機器、與科技的關系。未來，人工智能的進一步融入，流變機器人有望在醫療、制造、環境監控等多個領域展現出更強大的潛力，開創人類技朮應用的新紀元。
