《Nature》:哈佛大學(xué)開發(fā)了一種用于制造螺旋絲的旋轉(zhuǎn)多材料3D打印方法

導(dǎo)讀：螺旋結(jié)構(gòu)在自然界中無處不在,，這種結(jié)果可以具有獨(dú)特的機(jī)械性能和多功能性,。到目前為止,，螺旋結(jié)構(gòu)的合成已經(jīng)通過單獨(dú)長絲的纏繞、扭轉(zhuǎn)和編織,、微流體,、打印等方法制造出來。然而,，這些制造方法無法同時(shí)從眾多的材料中創(chuàng)建多材料的螺旋結(jié)構(gòu)長絲,。

2023年1月19日，南極熊獲悉,，來自哈佛大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種用于制造螺旋絲的旋轉(zhuǎn)多材料 3D 打印方法,。使用這種新方法，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了人造肌肉和彈性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),，可以用于軟機(jī)器等應(yīng)用種,。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在了《Nature》上，題目為《Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control》（《具有亞體素控制的旋轉(zhuǎn)式多材料打印長絲》）,。

△將墨水通過一個(gè)復(fù)雜的噴嘴輸送,，該噴嘴允許同時(shí)打印多種材料。當(dāng)噴嘴旋轉(zhuǎn)和平移時(shí),，擠出的墨水形成具有嵌入螺旋特征的細(xì)絲,。研究成果
●研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)旋轉(zhuǎn)多材料3D打印（RM-3DP）平臺,，該平臺能夠?qū)﹂L絲的局部方向進(jìn)行亞體素控制,。

●通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)多材料噴嘴，控制角速度與平移速度之比,，能夠制造螺旋狀的長絲,，其螺旋角、層厚度和幾個(gè)材料之間的界面面積都是可設(shè)置的,。

●利用這種綜合方法,，研究人員制造了由螺旋狀電介質(zhì)彈性體致動器組成的功能性人工肌肉,，該致動器具有高保真和可單獨(dú)尋址的導(dǎo)電螺旋通道，嵌入在電介質(zhì)彈性體矩陣中,。

●同時(shí),，研究者還制造了分層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包括在順應(yīng)性基質(zhì)中含有剛性彈簧的結(jié)構(gòu)化螺旋支桿,�,？偠�言之，這種增材制造平臺為開發(fā)多功能結(jié)構(gòu)物質(zhì)開辟了新途徑,。


△打印頭由四個(gè)墨盒組成,，每個(gè)墨盒可以包含不同的材料。

螺旋形電介質(zhì)彈性體執(zhí)行器
研究人員設(shè)計(jì)并打印了螺旋式電介質(zhì)彈性體致動器（HDEA）長絲,，該長絲具有離散的,、可單獨(dú)處理的螺旋式導(dǎo)電通道，具有高螺旋角,、薄層和高多材料界面面積,，能夠嵌入電介質(zhì)彈性體基體中。HDEA長絲包括由夾在兩個(gè)軟電極之間的軟質(zhì)電介質(zhì)彈性體膜組成的基本驅(qū)動單元,。



有彈性的絲狀物和網(wǎng)狀物
為了生成結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料,，研究人員打印了結(jié)構(gòu)化的 "彈性 "長絲和由硬性和軟性亞體素組成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),。 彈性長絲是通過從一個(gè)扇形核心噴嘴共擠兩種粘彈性油墨來制造的,，將堅(jiān)硬的丙烯酸彈簧（藍(lán)色扇形特征）嵌入到柔軟的丙烯酸基質(zhì)（透明扇形核心特征）中。



總結(jié)
研究人員開發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)式多材料3D打印方法,，能夠?qū)Χ嗖牧瞎δ芎徒Y(jié)構(gòu)絲的方位異質(zhì)特征的局部方向進(jìn)行可編程的亞體素控制,，可以在一維、二維和三維圖案中進(jìn)行設(shè)計(jì),。 通過進(jìn)一步調(diào)整噴嘴的內(nèi)部特征,，這些結(jié)構(gòu)的分辨率、復(fù)雜性和性能可以從亞體素尺度到宏觀尺度得到進(jìn)一步提高,。