四校联合Nat.Commun.丨大规模制造磁控折纸机器人

磁控软体机器人在医疗健康，可穿戴器件等领域拥有较大的应用潜力。目前，制造柔性磁控软体机器人的方法，主要包括模板法，3D打印法，激光编程等，然而，现有的方法存在制造精度低，制造耗时长等问题。近期，中山大学生物医学工程学院蒋乐伦教授团队，与南方科技大学郭传飞教授，华中科技大学吴志刚教授及中国科学技术大学王柳教授等联合报道了磁控折纸机器人的2D-to-4D大规模制造策略。论文首先将卷对卷磁性纸制造方法与中国传统折纸技术结合，解决了不同形状与功能磁控折纸机器人的高效大规模制造问题。磁控折纸软体机器人的几何形状、磁极图案和形状变换模式是完全可编程，因此，磁控折纸机器人可实现无线磁控折叠，展开，锁定，变形与运动的各种功能。该研究结果发表在《自然·通讯》杂志上，题为“High-throughput Fabrication of Soft Magneto-origami Machines”。

1. 卷对接大规模制造磁性纸和2D-to-4D制造磁控折纸机器人

磁性纸是在纸上涂覆一层磁性膜并固化而成。磁性膜由可磁化的钕铁硼颗粒和硅橡胶混合组成。为了实现磁性纸的大规模制造，搭建了一个卷对卷全自动设备，如图1和视频1所示。卷对卷大规模制造磁性纸过程如下：刮刀均匀地在纸上刮涂一层磁性膜，磁性膜在通过加热装置时被快速加热固化，最后通过激光设备将磁性纸切割成预先设计的2D图案。

图1 卷对卷制造磁性纸，用于折叠制造磁控折纸机器人

卷对卷制造视频：https://v.qq.com/x/page/z3348ysxwcg.html

2D-to-4D制造磁控折纸机器人过程如下：通过折纸技术，将特定形状的2D磁性纸折叠成目标3D折纸结构。进一步地，通过脉冲强磁场磁化折叠后的3D折纸机器人，赋予折纸机器人磁响应能力。2D-to-4D折纸制造的各式磁控折纸机器人见图2。卷对卷磁性纸制造与中国传统折纸技术结合，实现了大规模磁控折纸机器人的高效制造。

图2 磁性纸和折叠的各式磁控软体机器人

2. 无线充电的磁控折纸机器人

该机器人可以折叠成一个长方体结构，用于通过狭小的通道，同时，该机器人可以实现无线充电的功能，为传感设备和电刺激提供能量，如图3。研究人员在一个猪胃模型中演示了机器人的运动、展开和无线充电的能力。通过磁铁的驱动，该机器人以约1 mm/秒的速度在凹凸不平的表面上运动。然后，通过施加交变磁场，充电电路可以产生3.3 V的稳定电压，点亮LED灯。通过加入电子电路，赋予机器人无线充电的能力，为植入式电子装置的供电和长期应用提供了新的思路。 

图3 可无线充电的磁控折纸机器人

3. 磁控仿生折纸技术，让艺术品“活”起来

基于折纸艺术的创造性，磁控折纸机器人可以应用在磁响应艺术/工艺品中。如图4所示，在磁场驱动下，磁折纸蝴蝶扇动翅膀，磁花朵生动的绽放，让纸动起来，让艺术画“活”起来。并且，在驱动过程中可播放背景音乐，让整个艺术品更加充满生气，更加优美。磁控折纸技术可作为一种传播科学和艺术的迷人媒介，在博物馆和学校展出，对公众，尤其是儿童和中小学学生产生教育影响。

图4 磁控折纸让画“活”起来

磁控折纸艺术视频：https://v.qq.com/x/page/b3348ngnnj3.html

团队介绍：

中山大学生物医学工程学院蒋乐伦教授，致力于磁控机器人与介入式医疗器件等研究工作，以第一/通讯作者在Nat Commun, Adv Sci, Nano Energy等发表 SCI 论文50余篇，获授权专利30余项。目前实验室招收医疗仪器方向博士/博后/助理教授，待遇优厚，有意者请发送邮件到 jianglel@mails.sysu.edu.cn，详情可访问网页：https://bme.sysu.edu.cn/bmejiangll/。

南方科技大学材料科学与工程系郭传飞教授，主要从事柔性电子皮肤及人机融合的研究。团队研发了超灵敏、大量程、高线性度、高稳定性的电子皮肤（Nat. Commun. 2022, 13, 1317; ACS Nano 2022, 16, 4338−4347; Sci. Bull. 2021, 66, 1091–1100; Nature Commun. 2020, 11, 209; Adv. Mater. 2019, 31, 1902955.），实现了电子器件与生物组织的稳定融合（Adv. Mater. 2022, 2200262; Nat. Mater. 2021, 20, 229-236; Adv. Funct. Mater. 2020, 2001518.），并开发了基于生物组织的柔性传感新模式（Nat. Commun. 2021, 12, 4731）。

华中科技大学机械科学与工程学院吴志刚教授，长期从事智能软体，软体机器人，软基材先进制造等方面的研究。在Nature集团旗下子刊Sci Rep和国际著名期刊J Micromech Microeng等担任编辑。主持国家自然科学基金深圳机器人基础研究中心联合基金重点项目、科技部智能机器人重点专项子课题等国家、省部级项目5项。在Sci Robot，Nat Commun，Adv Mater等国际顶级期刊发表论文80余篇，获得国内外发明专利30余项。

中国科学技术大学近代力学系王柳教授，主要研究方向是软体机器与柔性结构，包括软材料力学，软体机器人，3D打印等。以第一/通讯作者在国际顶尖期刊上发表学术论文19篇，包括 Nat Biomed Eng, Nat Commun (3篇), Sci Adv, PNAS, Adv Mat等。目前实验室招收软体机器人方向博士/博后/特聘副研究员，待遇优厚，有意者发邮件到wangliu05@ustc.edu.cn，详情可访问主页https://faculty.ustc.edu.cn/liuwang。

论文信息：

“High-throughput Fabrication of Soft Magneto-origami Machines” by Shengzhu Yi^#, Liu Wang^#, Zhipeng Chen^#, Jian Wang, Xingyi Song, Pengfei Liu, Yuanxi Zhang, Qingqing Luo, Lelun Peng, Zhigang Wu*, Chuan Fei Guo*, Lelun Jiang*. 19 July 2022, Nature communications.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-31900-5