用于制造磁性可变形机械的方法和可变形3D磁性机械技术

本发明专利技术涉及一种制造包括异构体素的磁性可变形机械的方法以及一种可变形3D磁性机械，所述磁性机械具有小于10000mm的尺寸，所述磁性机械包括多个体素，所述多个体素中的至少一些体素是磁性的，其中所述体素中的至少一些体素具有小于500MPa的杨氏模量，所述多个体素用粘结剂彼此粘结，其中每个体素具有预定义形状、尺寸，具有预定义磁性性质和预定义材料性质。质。质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于制造磁性可变形机械的方法和可变形3D磁性机械


[0001]本专利技术涉及一种制造包括异构体素的磁性可变形机械的方法以及一种可变形3D磁性机械，该磁性机械具有小于10000mm的尺寸，该磁性机械包括多个体素，多个体素中的至少一些体素是磁性的，其中体素中的至少一者具有小于500MPa的杨氏模量，多个体素用粘结剂彼此粘结，其中每个体素具有预定义形状、尺寸，具有预定义磁性性质和预定义材料性质。

技术介绍

[0002]对外部刺激作出反应的小型软体机械有望在仿生机器人、微型工厂和微创医疗装置方面实现突破性应用。外部磁场已经成为软机械的安全、快速、精确、灵巧和无线致动的有前途的刺激选择。当此类磁性机械的总尺寸缩小到亚毫米级时，它们的设计和功能受到可用制造方法的严重限制，这些制造方法仅适用于材料、几何形状和磁化轮廓的有限选择。
[0003]尽管最近的研究已经将小型磁性软机械从二维(2D)模铸和激光切割方法推进到基于挤出和基于紫外线(UV)光刻的3D打印方法，但尚未实现多种任意材料组合物与任意3D磁性设置(3D magnetic programming)和几何形状的集成。此外，现有的方法受到一些根本约束，限制了它们进一步改进。具体地，基于挤出的方法因对存储模量的苛刻要求、由添加的磁性颗粒引起的性能退化和软弹性体的挤出溶胀而无法制造较细的磁性软纤维来编织复杂结构。另外，未固化的液体光刻胶内部的磁性颗粒的强烈局部相互作用会限制通过基于光刻的方法来设置相邻体素的任意磁化。

技术实现思路

[0004]鉴于这些挑战，本专利技术的目的是提供一种制造磁性可变形机械的方法，所述磁性可变形机械可以用尽可能容易且可重复的方法生产，甚至在克服以上缺点的低于毫米范围的尺度下也是如此。本专利技术的另一个目的是提供可用的磁性机械，所述磁性机械可以在目标位点处远程地变形并且可以在到达目标位点之前移动经过各种环境。
[0005]该目标由根据相应独立权利要求的主题的方法和磁性可变形机械来实现。
[0006]这种制造包括异构体素(即，不同特性、性质和组合物的体素)的磁性可变形机械的方法包括以下顺序的步骤：
[0007]‑
定义磁性机械的变形特性；
[0008]‑
参考磁性机械的变形特性来制作磁性机械的蓝图；
[0009]‑
提供多个体素，所述多个体素中的至少一者、优选地一些体素是磁性的并且其中多个体素中的至少一个体素具有小于500MPa的杨氏模量；
[0010]‑
根据所制作的蓝图使用粘结剂将多个体素彼此粘结以组装磁性机械；以及
[0011]‑
使粘结剂固化。
[0012]因此，本专利技术提供了一种自底向上组装方法，其中逐步地将各个体素彼此粘结以形成可变形磁性机械。与使用自顶向下法的现有技术方法相比，可获得形成磁性机械的前
所未有的准确性。另外，当前方法实施起来非常简单，因为各个构建块(即，体素)可以适应于磁性机械的特定功能，并且然后根据蓝图简单地连接到它们的直接相邻体素。
[0013]例如，某些体素可以被配置以便准许通过施加第一磁场而经由磁性机械的磁性性质在第一位置和第二位置之间运送磁性机械，而其他体素可以被配置为改变磁性机械的外观，即，例如通过扩展、限制尺寸来允许磁性机械变形，或者例如通过施加与第一磁场不同的第二磁场来允许磁性机械的部件相对于磁性机械的另一部分移动。
[0014]取决于磁性机械的类型，要求磁性机械的变形以便能够移动磁性机械和/或针对磁性机械的确切应用来改变磁性机械的外观。通过能够制造可以变形且从而可以实施特定功能的磁性机械，本专利技术还实现可设置磁性机械的生产。
[0015]例如，如果选择封装的磁性机械，以便将有效载荷从第一位置运送到第二位置以在第二位置处卸载该有效载荷，那么必须根据有效载荷来选择磁性机械的尺寸，必须选择磁性机械的刚度性质以便能够可靠地运送有效载荷，必须选择磁性机械的磁性性质以便能够将磁性机械从第一位置移动到第二位置，并且必须选择变形特性以便能够在第一位置处装载有效载荷并在第二位置处从磁性机械释放有效载荷，即，除了该磁性机械可以变形以便将磁性机械从第一位置移动到第二位置的方式以外，还可以施加第二种磁场以便使磁性机械变形。
[0016]为了确定尺寸，检查使用环境，例如，如果意图使用胶囊在人的胃中运送有效载荷，则选择例如5至20mm的平均胶囊尺寸。然后例如通过必须要运送的有效载荷的量等来确定刚度性质。这些是可以实施来定义磁性机械的变形特性并且然后制作磁性机械的蓝图的步骤。
[0017]在这一点上，应注意，蓝图是如何参考磁性机械的变形特性将不同的构建块(即，体素)相对于彼此组装并使用粘结剂彼此粘结以形成期望的磁性机械的说明手册。
[0018]当前的自底向上制造方法允许基于异构组装的三维(3D)微制造策略以高分辨率产生具有任意多材料组合物、任意3D几何形状和任意可设置3D磁化轮廓的复合3D微型无线磁性软机械。这种方法有助于在原型机械上实现多样的特性，诸如可设置形状渐变、负泊松比、复合刚度分布、定向接合部弯曲以及用于形状重新配置的重新磁化。这些特性进一步解放了设计并且实现各种生物医学装置相关功能，诸如蠕动泵送、主动货物运送和递送、受控表面锚固和释放以及信息加密。这种3D异构集成方法显著地改进了3D磁性软机械可实现的复杂性水平，并且因此提高了它们未来在机器人、生物医学装置和生物工程应用中的能力和性能。作为组装方法的独特优点，可以利用任意几何形状、材料和磁性设置通过任意/不同微制造过程来制造此类体素。
[0019]定义磁性机械的变形特性的步骤可以包括选自由以下项组成的成员组的步骤中的至少一者：
[0020]‑
定义磁性机械的应用；
[0021]‑
定义磁性机械的相应应用的工作环境；
[0022]‑
定义磁性机械的变形参数；
[0023]‑
选择磁性机械的尺寸；
[0024]‑
选择磁性机械的形状；
[0025]以及前述项的组合。以此方式，方法的用户可以使磁性机械的制造适于其确切的
工作环境并且产生定制的磁性机械。
[0026]蓝图可以包括：用于形成磁性机械的相应体素的数量、用于形成磁性机械的相应体素的布置、用于形成机械的相应体素的性质(例如，杨氏模量、磁化轮廓、刚度、机械强度、耐久性、变形、最大应变或应力、药物或其他分子装载能力、远程加热性质、多孔性、气体、液体或分子渗透性、导电性或导热性、热膨胀、液体溶胀性质、刺激(例如，pH、化学品、温度、湿度、流量、压力、葡萄糖)响应、生物相容性、生物或其他降解性或溶解性、在特定成像技术(例如，荧光成像、近红外成像、磁共振成像、正电子发射断层扫描、超声成像、光声成像、荧光镜检查、计算机断层扫描)中的可见性、免疫响应性质、蛋白质吸收性质、酶反应性质、对其他体素、生物组织或其他表面的暂时粘附或永久粘附)、在用于形成磁性机械的体素处的固化剂的布置。
[0027]因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造包括多个异构体素(12、12
’
、12”)的磁性可变形机械(10)的方法，所述方法包括以下顺序的步骤：
‑
定义所述磁性机械(10)的变形特性；
‑
参考所述磁性机械(10)的所述变形特性来制作所述磁性机械(10)的蓝图；
‑
提供所述多个体素(12、12
’
、12”)，所述多个体素中的至少一些体素是磁性的，并且其中所述多个体素(12、12
’
、12”)中的至少一些体素(12、12
’
、12”)具有小于500MPa的杨氏模量；
‑
根据所制作的蓝图使用粘结剂(14)将所述多个体素(12、12
’
、12”)彼此粘结以组装所述磁性机械(10)；以及
‑
使所述粘结剂(14)固化。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述定义所述磁性机械(10)的变形特性的步骤包括选自由以下项组成的成员组的步骤中的至少一者：
‑
定义所述磁性机械(10)的应用；
‑
定义所述磁性机械(10)的相应应用的工作环境；
‑
定义所述磁性机械(10)的变形参数；
‑
选择所述磁性机械(10)的尺寸；
‑
选择所述磁性机械(10)的形状；以及前述项的组合。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述蓝图包括：用于形成所述磁性机械(10)的相应多个体素(12、12
’
、12”)的数量、用于形成所述磁性机械(10)的相应体素(12、12
’
、12”)的布置、用于形成所述磁性机械(10)的所述相应体素(12、12
’
、12”)的性质，以及在用于形成所述磁性机械(10)的所述多个体素(12、12
’
、12”)处的所述固化剂的布置。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述性质选自由以下项组成的组：杨氏模量、磁化轮廓、刚度、机械强度、耐久性、变形、最大应变或应力、药物或其他分子装载能力、远程加热性质、多孔性、气体、液体或分子渗透性、导电性或导热性、热膨胀、液体溶胀性质、以及刺激响应、生物相容性、生物或其他降解性或溶解性、在特定成像技术中的可见性、免疫响应性质、蛋白质吸收性质、酶反应性质，以及对其他体素、生物组织或其他表面的暂时粘附或永久粘附。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述刺激响应是对pH、化学品、温度、湿度、流量、压力和葡萄糖中的一者的响应。6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中所述特定成像技术是荧光成像、近红外成像、磁共振成像、正电子发射断层扫描、超声成像、光声成像、荧光镜检查和计算机断层扫描中的一者。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述制作所述磁性机械(10)的所述蓝图的步骤包括选自由以下项组成的成员组的步骤中的至少一者：
‑
选择不同体素(12、12
’
、12”)的材料以定义所述磁性机械(10)的刚度性质；
‑
选择用于所述磁性机械(10)的所述相应体素(12、12
’
、12”)的一种或多种材料；
‑
选择磁性体素(12、12
’
、12”)的均匀3D磁化轮廓或非均匀3D磁化轮廓以定义所述磁性机械(10)的基于磁力矩的变形性质或基于磁力的变形性质；
‑
选择所述相应体素(12、12
’
、12”)的尺寸；
‑
选择所述相应体素(12、12
’
、12”)的形状；
‑
选择所述相应体素(12、12
’
、12”)的磁性性质；
‑
选择所述相应体素(12、12
’
、12”)的材料性质；
‑
基于所述蓝图来模拟所述磁性机械(10)的行为和/或变形；
‑
将所述相应体素(12、12
’
、12”)中的一者或多者磁化；
‑
根据对所述磁性机械(10)的行为和/或变形的模拟结果来调整所述磁性机械(10)的所述蓝图；以及前述项的组合。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中每个体素(12、12
’
、12”)具有3D形状并且具有预定义形状、尺寸，具有预定义磁性性质和预定义材料性质，并且/或者其中所述相应体素(12、12
’
、12”)在粘结到所述相应体素的相邻体素(12、12
’
、12”)之前、在粘结到所述相应体素的相邻体素(12、12
’
、12”)的同时或在已经粘结到所述相应体素的相邻体素(12、12
’
、12”)之后被磁化。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述预定义材料性质选自由以下项组成的组：杨氏模量、磁化轮廓、刚度、机械强度、耐久性、变形、最大应变或应力、药物或其他分子装载能力、远程加热性质、多孔性、气体、液体或分子渗透性、导电性或导热性、热膨胀、液体溶胀性质、刺激响应、生物相容性、生物或其他降解性或溶解性、在特定成像技术中的可见性、免疫响应性质、蛋白质吸收性质、酶反应性质，以及对其他体素、生物组织或其他表面的暂时粘附或永久粘附。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述刺激响应是对pH、化学品、温度、湿度、流量、压力、葡萄糖中的一者的响应。11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述特定成像技术是荧光成像、近红外成像、磁共振成像、正电子发射断层扫描、超声成像、光声成像、荧光镜检查和计算机断层扫描中的一者。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述磁性机械(10)的所述磁性体素(12、12
’
、12”)的磁化轮廓通过磁性感测技术或磁性成像技术是能够见到的。13.根据权利要求12所述的方法，其中所述磁性感测技术或磁性成像技术是使用克尔效应和/或法拉第效应的磁光感测、磁力显微术和/或磁性x射线显微术。14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述将所述多个体素(12、12
’
、12”)彼此粘结的步骤在所述体素(12、12
’
、12”)的一个或多个面(18)和/或一个或多个边缘(20)处进行。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述将所述多个体素(12、12
’
、12”)彼此粘结的步骤包括在后续步骤中将一个体素(12、12
’
、12”)粘结到另一个体素(12、12
’
、12”)；并且/或者其中所述将所述多个体素(12、12
’
、12”)彼此粘结的步骤包括逐组地将一组体素(12、12
’
、12”)粘结到另一组体素。16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述将所述多个体素(12、12
’
、12”)彼此粘结的步骤包括以下步骤：提供具有所述磁性可变形机械(10)的至少一部分的阴形状的夹具(100、108、110、112)，并且将预定义量的所述多个体素(12、12
’
、12”)放置到所述夹具(100、108、110、112)中且然后在所述夹具(100、108、110、112)中对所述预定义量的所述多个体素(12、12
’
、12”)进行粘结。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述预定义量的所述多个体素(12、12
’
、12”)中的一者或多者在一个时间点借助机器人放置到所述夹具(100、108、110、112)中。18.根据权利要求16或17所述的方法，其中所述预定义量的所述多个体素(12、12
’
、12”)中的一者或多者在放置到所述夹具中之前、或者在已经放置到所述夹具(100、108、110、112)中并且已经粘结到所述多个体素(12、12
’
、12”)中的一者或多者的相邻体素(12、12
’
、12”)之后被磁化。19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述使所述粘结剂(14)固化的步骤在室温或另一特定温度下并且在进行所述粘结步骤的环境内进行，其中所述使所述粘结剂(14)固化的步骤通过紫外(UV)光源或另一波长的光源来进行，或者其中所述使所述粘结剂(14)固化的步骤在炉内或在热...

【专利技术属性】
技术研发人员：张甲晨，任子宇，胡文琪，梅廷，
申请(专利权)人：马克斯，
类型：发明
国别省市：