要点:
随着科技的不断进步，4D打印技术在智能制造和软体机器人领域的应用日益重要。李振坤副教授的研究团队通过创新性的磁控4D打印技术，这项技术不仅在机器人、神经修复、医疗康复等领域具有广泛潜力，还推动了智能制造设备的产业化应用。
随着科技的不断进步，智能制造和自适应材料正逐渐成为多个领域中的重要研究方向。近年来4D打印技术作为一种新兴的前沿技术，因其能够实现结构在外部刺激下自我变形，广泛受到关注。尤其在智能材料和软体机器人领域，4D打印为创造更高效、灵活的机器人系统提供了新的可能性。北京交通大学的李振坤副教授和他的课题组，正是通过一系列创新性技术的提出，推动了这一领域的发展。
李振坤副教授专注于4D打印技术、智能材料以及新型软体机器人的研究。他首次提出了模仿阿米巴虫的软体机器人“流变机器人”/Rheobot，并创新性地提出了磁控4D打印光固化技术。李振坤课题组开发的磁性水凝胶材料与光固化技术高度兼容，既具备卓越的4D打印性能，又能在光固化过程中保持良好的稳定性。
基于此，研究团队提出了一种新型4D打印方法，结合了光固化技术与直接墨水书写/Direct Ink Writing，简称DIW打印，显著减少了磁性智能结构成型的时间。
传统的加热固化方法需要数十分钟，而磁控4D光固化技术将每一层固化与充磁的时间缩短到几秒钟甚至更短，大大提高了生产效率。该研究提出了一种快速制造智能结构的新方案，预示着该技术在制造可变刚度的智能关节结构方面具有潜在应用，尤其在人形机器人中。由于其材料具备良好的环境适应性，这项技术还可能应用于深海探测等极端环境中，用于原位制造或修复智能结构。
此外，这项技术也可用于制造神经修复的植入体，通过体内原位4D打印，促进神经再生和康复治疗；与此同时，它还可能在胃肠道疾病的精准治疗中发挥作用，例如药物递送和异物清除等。
填补领域空白，实现磁性水凝胶的4D打印
水凝胶因其出色的生物兼容性，广泛应用于生物医学等多个领域。然而，传统软材料执行器常面临响应速度慢、控制精度差等问题，限制了其在高精度要求环境中的应用。
为了解决这一挑战，李振坤课题组将光固化技术与磁控4D打印技术相结合，创新性地开发出了一种新型磁性水凝胶材料。这种材料不仅具备优异的流变、磁化和光固化特性，还能在狭小的打印头空间内快速从液态转变为固态，并完成磁化过程。
传统的光固化方法通过光照使材料固化，并利用提拉法将其从样品池中提取出来。然而，由于4D打印要求对局部材料的磁畴进行精确“编程”，传统固化方法无法满足这一需求。
通过查阅大量文献，研究人员发现，现有的光固化水凝胶材料尚未能支持原位4D打印技术的应用，也缺乏相关的工艺方案。这为课题组提供了新的研究契机。
为了解决上述问题，该团队提出了一种全新的直接挤出式打印方法。他们设计了两个独立的打印头：一个用于挤出材料，并借助材料自身的流变特性暂时固定其形状；另一个则紧随其后，利用紫外光对材料进行彻底固化。
李振坤解释道，“这种方式就像临摹字帖一样，4D打印头每挤出一层材料，紫外光便随之照射，实现即时固化。我们希望通过这种光固化的磁性水凝胶材料与4D打印技术的结合，制造出具有快速响应与高精度控制能力的新型软执行器。”
4D打印的关键挑战在于如何在狭小的打印头空间内，同时完成材料从液态到固态的定型，并使其在过程中磁化。
水凝胶的屈服应力通常难以提升，这导致材料在光固化前难以保持稳定。为了解决这一问题，课题组提出了一个新思路：是否可以让材料内部形成更为立体的自组装结构？
为此，他们引入了一种二维材料：人造黏土。在这种材料中，磁性颗粒形成了柱状骨架，黏土层板吸附在骨架上，起到保护作用，进而构建出一种复合结构，从而提升材料的强度。令人意外的是，课题组成员在一次“误操作”中发现，某种成分与光固化单体的搭配使得材料展现出优异的高强韧性。通过进一步的机理分析，研究人员确定了这一“理想配方”。
在后续研究中，团队对人造黏土和磁性颗粒（钕铁硼颗粒）进行了有机改性，使二维层板结构与微纳米颗粒形成的柱状结构能够自组装。这一改进显著提升了材料的屈服应力和剪切变稀特性，赋予其更好的打印性能，并且可以在紫外光照射之前进行预成型。
通过这种光固化的磁性水凝胶材料与4D打印工艺，固化时间从传统的几十分钟大幅缩短至几秒钟，大大提升了打印效率。
与传统基于硅基材料的磁性编程4D打印技术相比，该研究通过将打印过程中的颗粒充磁与磁畴定向这两个步骤整合，成功实现了更快的打印速度和更高的精度，为制造具有快速响应和高精度控制的新型软执行器奠定了基础。
最终，相关研究成果以“基于光固化磁性水凝胶的磁性智能结构的4D打印”/4D printing of magnetic smart structures based on light-cured magnetic hydrogel为题，发表于“化学工程学报”/Chemical Engineering Journal。
计划成立初创公司，将技术从实验室向产业化推动
目前，桌面级3D打印机已经在教学、展示和创意制作等多个领域得到了广泛应用。然而，桌面级4D打印机仍然尚未进入市场。
李振坤带领的团队自主研发了首款多功能桌面级4D打印机“Mag 4D Printer”，作为智能制造领域的颠覆性技术，它入选了2024年中关村论坛常设展，并已在AI教育等多个应用场景中得到了应用。 “目前，我们正与中国科技馆合作，开发更多适用于展示和DIY制作的桌面级4D打印设备。”李振坤表示。
轻量化非金属结构不仅能够有效减轻重量，还能降低成本，但在实际应用中常面临强度不足的问题。李振坤团队结合磁控技术与熔丝制造3D打印技术，创新性地开发了一种增强4D打印方法，通过精确排列复合纤维，在打印过程中实现零件定向结构增强，这项技术可以替代人形机器人中的部分金属结构件。
此外，团队还将4D打印技术与磁流变技术结合，开发了一种变刚度软体夹持方法。这种方法不仅显著提升了夹持重量和稳定性，还使得软体抓手具备更高的自适应性，能够满足人形机器人灵巧手的需求。
据了解，李振坤团队即将推出工业级4D打印机Mag4D Plus，为人形机器人、低空经济、航空航天等领域的客户提供轻量化、智能化的构件设计与制造一体化解决方案。
未来一至两年内，团队计划成立初创公司，将这些技术推向产业应用，包括与医疗康复研究机构和学者合作，共同开发可定制的4D打印手部康复产品，并基于这一技术开发人形机器人可变刚度关节等产品。
“液体变形金刚”，像阿米巴虫那样灵活“变变变”
李振坤本科毕业于北京科技大学机械工程与自动化专业，随后攻读材料科学与工程专业的硕士学位，并在北京交通大学机械与电子控制工程学院完成博士学位，师从李德才教授，主要从事磁控智能材料的理论与应用研究。博士后期间，他在清华大学机械系担任博士后和助理研究员。
李振坤的研究方向深受软物质理论创始人、诺贝尔物理学奖得主皮埃尔-吉勒·德热纳/Pierre-Gilles de Gennes启发。德热纳曾设想过一个通过磁场调控相变的智能软物质体系。
李振坤回忆道，“这个概念深深吸引了我，我坚信软物质的智能化将成为一条革命性的道路，它将打破目前机器人等高端装备多以刚性材料制造、且驱动与结构分离的传统模式。”
目前，许多软体机器人基于弹性体（如橡胶）的柔韧性，这些材料能够模仿像章鱼等高级软体动物的连续变形特性。软体机器人可以替代传统的刚性执行机构，在抓取任务中展现出更好的适应性，而不需要精确的编程和传感器控制。然而，这些变形模式通常是固定的，橡胶的变形和恢复方式是在设计时就已经设定好的。
他意识到，在更广泛的移动应用场景中，橡胶等弹性体的变形方式并非最柔软的形式。受到单细胞生物阿米巴虫（变形虫）的启发，李振坤于2023年首次提出了流变机器人的概念，这是一种结合智能材料与4D打印技术的新型机器人。
从材料角度来看，流变机器人釆用了该课题组自主研发的磁控流变记忆材料。该材料不仅能对外界刺激做出响应，还具有记忆性。通过外部磁场的作用，材料能够在凝胶和溶胶之间转化，从而调整机器人的内部结构，模拟类似阿米巴虫的运动方式。
得益于磁控流变记忆材料的高响应性，流变机器人在面对环境变化时能够快速调整自身结构，提升了其适应性和灵活性。
在动作与控制方面，流变机器人能够模仿单细胞生物的伪足运动，具备无限自由度和连续变形能力。这使得流变机器人在执行复杂任务时能够灵活应对各种挑战，例如在体内进行精准控制，或在军事侦察任务中实现隐蔽行动。
流变机器人内嵌的柔性传感器使其能够实时感知内部材料的分布与流动状况，从而实现智能控制。这种控制能力使得机器人在任务执行过程中能够自主调整姿态与动作，提升效率和准确性。
目前，团队正在进行流变机器人的验证性实验，并与北京大学人民医院合作，探索其在肿瘤治疗中的应用，特别是在捕捉血液中循环肿瘤细胞/CTC方面。 CTC是肿瘤晚期患者血液中的肿瘤细胞，能够在身体的任何部位“定居”，治疗难度极大。
如果能够设计出类似小液滴的流变机器人，并在其表面附着敏感蛋白（如抗体），使其能够定向寻找癌细胞，并利用交变磁场产生的磁热效应使流变机器人的局部温度升高至50℃，有可能杀死癌细胞。此外，流变机器人还可作为“体内创可贴”治疗胃出血。借助医学影像技术，流变机器人能精准到达出血点，原位完成凝固，并携带止血药物加速伤口愈合，从而减轻患者痛苦。
随着科学技术的日益发展，4D打印技术和智能材料的结合正在逐步颠覆传统制造和医疗领域的格局。从基础研究到实际应用，李振坤及其团队的创新探索不仅为软体机器人、医疗技术以及工业制造提供了全新的解决方案，更让我们看到了未来智能化、自动化的无限可能。
流变机器人技术的不断进步，我们正在迈向一个能够自适应、灵活应对各种环境挑战的时代。从人形机器人的精准控制到体内治疗中的创新应用，这些技术的突破将深刻影响社会生活的方方面面，甚至可能重新定义我们与机器、与科技的关系。未来，人工智能的进一步融入，流变机器人有望在医疗、制造、环境监控等多个领域展现出更强大的潜力，开创人类技术应用的新纪元。
