3D打印液晶彈性體可造出變形結(jié)構(gòu)使軟機(jī)器人和可穿戴設(shè)備更易實(shí)現(xiàn)

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉,，由加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院機(jī)械與航空航天工程系教授Shengqiang Cai帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊,，于9月25日在Science Advances上介紹表明,，通過控制3D打印液晶彈性體的印刷溫度,，他們可以控制材料的剛度和收縮能力/致動度,。而且,，它們能夠通過加熱來改變同一材料中不同區(qū)域的剛度,。

液晶彈性體Liquid crystal elastomers(LCEs)能夠產(chǎn)生大的可逆驅(qū)動力并產(chǎn)生大的工作密度，在構(gòu)建新型軟機(jī)器人,、可穿戴設(shè)備,、人造肌肉和仿生系統(tǒng)方面展示了潛力。液晶彈性體是可變形的彈性固體,，具有有序性,、雙折射性和刺激響應(yīng)性。液晶中的這些特征是由液晶(有序流體)和彈性體(柔軟,、可變形的固體)的結(jié)合產(chǎn)生的,。1969年，理論物理學(xué)家,、諾貝爾獎獲得者Pierre-Gilles De Gennes首次提到液晶,，當(dāng)時他考慮了聚合物網(wǎng)狀物是否可以“壓印”液晶順序。在此后的幾十年里,，液晶性一直保留在各種聚合材料和網(wǎng)狀物中,。液晶體聚合物的彈性變形是主題，因序列和刺激而提供了引人注目的刺激響應(yīng)行為和出色的機(jī)械性能,。

基于LCE和網(wǎng)狀物的智能仿生微/納米結(jié)構(gòu)

最近,，已經(jīng)探索了直接墨水書寫（DIW）技術(shù)來在具有復(fù)雜幾何形狀的LCE結(jié)構(gòu)中圖案化液晶元排列。在LCE的DIW工藝中,，由未交聯(lián)的液晶低聚物組成的粘性油墨被擠出印刷噴嘴,，并且在擠出過程中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力使液晶元自發(fā)地沿印刷路徑排列。通過編程液晶介晶的局部排列,，已經(jīng)創(chuàng)建了具有多種驅(qū)動行為的結(jié)構(gòu),。LCE的3D打印技術(shù)的進(jìn)步為設(shè)計和創(chuàng)建基于LCE的新型軟機(jī)器人和設(shè)備開辟了一條新途徑。

在之前的科學(xué)家所做的3D打印LCE研究中,，LCE細(xì)絲可能在一種結(jié)構(gòu)中遵循各種路徑,，但它們通常具有相同的屬性，這些屬性主要由諸如打印溫度和噴嘴尺寸之類的打印參數(shù)確定,。相反,，功能梯度材料在生物學(xué)和工程應(yīng)用中無處不在,。例如，在肌腱到骨的植入過程中,，組織的機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)會逐漸變化,，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐用性。具有漸變機(jī)械性能的結(jié)構(gòu)已被制造出用來最大程度地減少應(yīng)力集中并實(shí)現(xiàn)高柔韌性和高回彈力的結(jié)合,。Bartlett等研究人員建造了由燃燒驅(qū)動的功能梯度軟機(jī)器人,，并使用了模量梯度來減少機(jī)器人腿中的局部變形。分級髖關(guān)節(jié)假體已被開發(fā)出用來增強(qiáng)植入物與骨骼之間的結(jié)合強(qiáng)度,。然而,，由于材料的選擇有限和潛在的制造挑戰(zhàn),，很少報道具有功能梯度的機(jī)械性能和致動性能的軟響應(yīng)結(jié)構(gòu),。

在該研究中，研究人員報告了一個簡易的DIW打印方法,，在一個單一的結(jié)構(gòu)中印刷功能梯度LCE,。通過控制印刷參數(shù)，如印刷溫度,、噴嘴尺寸和噴嘴與構(gòu)建板之間的距離,，可以印刷具有可定制特性的LCE細(xì)絲，包括驅(qū)動應(yīng)變,、驅(qū)動應(yīng)力和機(jī)械剛度,。同時，研究人員進(jìn)一步證明,，利用新的打印方法,，可以制造由功能梯度LCE組成的結(jié)構(gòu)，使得設(shè)計有源變形結(jié)構(gòu)和減輕不同材料之間界面附近的應(yīng)力集中成為可能,。此處開發(fā)的方法可以進(jìn)一步促進(jìn)具有多種功能的LCE結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造,。

具有可調(diào)整的熱機(jī)械性能的LCE的DIW印刷。

在不同溫度下打印的LCE燈絲的偏振光學(xué)顯微鏡（POM）圖像,。比例尺,，0.5毫米。圖片來源：Zijun Wang, UCSD.

為了了解如何調(diào)整LCE的材料特性,，研究人員首先非常仔細(xì)地研究了該材料,。他們確定印刷的LCE細(xì)絲是由殼和芯制成的。外殼在打印后很快冷卻下來,，變得更硬,，而芯子冷卻得更慢，保持了更大的延展性,。

具有6個花瓣的3D打印LCE雙層結(jié)構(gòu)

△圖解：熒光染料RhB被添加到用于印刷這些結(jié)構(gòu)的油墨中,。所有照片都是在365納米的紫外線照射下拍攝的,。（A)每片花瓣由兩層LCE組成，印刷路徑不同,，但印刷參數(shù)相同,。兩層中兩個印刷路徑之間的角度為90°。雙層結(jié)構(gòu)浸入90°C的熱水中,，花瓣全部扭曲,。（B到D)兩層花瓣的打印路徑相同(沿長度方向)。此外,，對于底層,，LCE是以最小的驅(qū)動應(yīng)變印刷的。對于花瓣的頂層,，驅(qū)動應(yīng)變在(B)中是均勻的,，但在(C)和(D)中具有定制的梯度。當(dāng)雙層結(jié)構(gòu)浸入90℃的熱水中時,，它們的彎曲形態(tài)在(B)至(D)中彼此不同,。進(jìn)行有限元模擬以計算印刷雙層結(jié)構(gòu)的變形形狀。應(yīng)力場用不同的顏色表示,。漸變打印策略增加了主動變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計空間,。比例尺，20毫米,。圖片來源:加州大學(xué)圣地亞哥分校,。

研究人員用兩層具有不同特性的LCE制成3D打印結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明,，這給了材料更大的驅(qū)動自由度,。研究人員用這種材料印刷了花格結(jié)構(gòu)，可用于醫(yī)療應(yīng)用,。

因此,，研究人員能夠確定如何在印刷過程中改變多個參數(shù)，尤其是溫度,，以調(diào)整LCE的機(jī)械性能,。簡而言之，印刷溫度越高,，材料的柔韌性和延展性就越高,。雖然LCE墨水的制備需要幾天的時間，但實(shí)際的3D打印可以在1-2小時內(nèi)完成,，具體取決于要打印的結(jié)構(gòu)的幾何形狀,。基于LCE細(xì)絲的特性和印刷參數(shù)之間的關(guān)系，很容易構(gòu)建具有漸變材料特性的結(jié)構(gòu),。
改變3D打印結(jié)構(gòu)的溫度

例如,，研究人員在40攝氏度（104華氏度）下打印了LCE圓盤，并在熱水中將其加熱到90攝氏度（194華氏度）,，圓盤變形為圓錐形,。但是，由在不同溫度（例如40,，然后80和120攝氏度）打印的區(qū)域組成的LCE盤在加熱時會變形為完全不同的形狀,。

由功能梯度LCE組成的3D打印主動變形結(jié)構(gòu)

△圖解：（A)到(D)是四個圓周印刷有LCE細(xì)絲的圓盤。LCE細(xì)絲的致動應(yīng)變在(A)中是均勻的,，并且在(B)到(D)中具有定制的梯度,。每個圓盤的驅(qū)動應(yīng)變大小由草圖中藍(lán)色的暗度表示。當(dāng)圓盤浸入90℃的熱水中時,，四個圓盤的熱致變形彼此有顯著不同,。進(jìn)行有限元模擬以模擬變形的形狀。垂直位移場用不同的顏色表示,。比例尺,，20毫米。圖片來源：加州大學(xué)圣地亞哥分校

最后,，作為概念證明，研究小組3D打印了他們在3D打印過程中進(jìn)行過調(diào)諧的LCE管,，并顯示了在約94℃(201℉)的高溫下啟動時,，它可以粘附在剛性玻璃板上的時間更長，而不是具有均質(zhì)特性的普通LCE管,。這可能導(dǎo)致制造出更好的機(jī)器人抓手,。

這種材料的驅(qū)動不僅可以在熱水中激活，還可以通過向LCE中注入熱敏顆�,；蛭�收光并將其轉(zhuǎn)化為熱的顆粒（從黑色墨水粉末到石墨烯的任何一種）來激活,。

接下來的步驟包括找到一種更精確、更有效地調(diào)整材料性能的方法,。研究人員還致力于修改墨水,，使印刷結(jié)構(gòu)可以自我修復(fù)，重新編程,，并可回收利用,。

可穿戴機(jī)器手臂幫助人類執(zhí)行超能力任務(wù)

本文來源：DOI: 10.1126/sciadv.abc0034