斷裂伸長率高達(dá)450%,！可聚合乳液3D打印多孔結(jié)構(gòu)用于軟機(jī)器人

來源： EngineeringForLife

三維（3D）打印是一種制作三維物體的技術(shù),，通常是通過逐層工藝,，可在許多領(lǐng)域應(yīng)用,。在本研究中,，以色列耶路撒冷大學(xué)Shlomo Magdassi和意大利技術(shù)研究院Lucia Beccai共同提出了一項詳細(xì)的材料導(dǎo)向研究，利用油中水（W/O）乳劑制備可拉伸多孔材料,，賦予可打印可拉伸材料的內(nèi)部孔隙率,，使其可壓縮的同時保持其可拉伸性�,；�于立體光刻的打印組合物為W/O乳劑,，其中水滴為成孔材料，連續(xù)相為可拉伸聚氨酯二丙烯酸酯（PUA）,。打印物體的孔隙率由材料的微孔隙率和由細(xì)胞設(shè)計獲得的大孔隙率控制,。機(jī)械行為可以根據(jù)乳化液的成分提供順應(yīng)性和強度，同時使用一種獨特的優(yōu)化方法將油墨安裝到3D打印機(jī)上,。這種方法可以開發(fā)具有優(yōu)越機(jī)械性能的材料,，其中3D打印多孔結(jié)構(gòu)的斷裂伸長率最高可達(dá)450%。乳液打印組合物用于制造具有獨特驅(qū)動性能的軟機(jī)器人抓持器,。

相關(guān)研究內(nèi)容以“3D printing stretchable and compressible porous structures by polymerizable emulsions for soft robotics”為題于2023年8月15日發(fā)表在《Materials Horizons》,。

圖1 材料開發(fā)和3D打印

通過打印制備3D多孔結(jié)構(gòu)的總體過程如圖1所示。首先是制備穩(wěn)定的W/O乳液,，其中連續(xù)相是可聚合成分與可變比例的水滴,。然后是數(shù)字光處理（DLP） 3D打印，這是基于局部光聚合,，產(chǎn)生一個嵌入水滴的可拉伸聚氨酯,。打印后，水滴通過蒸發(fā)從結(jié)構(gòu)中去除,，形成一個包含微觀孔隙的物體,，即3D泡沫嵌入在一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中。

圖2 乳液的表征與特性

為了表征乳液的滴度,，對液體乳液進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察,，對水蒸發(fā)后的聚合乳液進(jìn)行掃描電鏡進(jìn)行孔隙表征，分別如圖2A,、B所示,。采用孔隙/液滴密度分?jǐn)?shù)，使用核密度估計（KDE）作為測量的孔隙/液滴大小的函數(shù),，水蒸發(fā)前的平均孔徑為3μm,，而水蒸發(fā)前的乳化液滴尺寸為6μm（圖2C、D）,。采用三種方法檢查是否所有的水都完全蒸發(fā)了：1）測量處理后的重量損失和密度,；2）處理前后的ATR-FTIR（加熱蒸發(fā)水）；3）可視的水分指示器（圖2D）,�,？傮w而言,，處理后乳劑的重量損失為25 %wt，測量密度為1.099 g/cm3,，比未乳化的PUA低18%,。通過ATR-FTIR在3380 cm-1處測量OH峰的存在來評估水的蒸發(fā)（圖2D藍(lán)色、橙色線）,。

圖3 不同水濃度的可打印乳劑表征

圖3A顯示了乳劑為水或水類型的范圍以及不穩(wěn)定性指數(shù)與水分?jǐn)?shù)的關(guān)系,，隨著水濃度的增加，乳液的不穩(wěn)定性增加到25 %wt,，然后乳液變得更加穩(wěn)定,，直到進(jìn)入50 %wt水的O/W乳液狀態(tài)。在45%的wt水分?jǐn)?shù)以上,，乳液對于DLP打印來說太粘稠,，因此打印實驗只進(jìn)行35%的wt水含量�,；�于此結(jié)果,，使用拉伸和壓縮試驗對含有不同水濃度（從0至35 %wt)的可打印乳劑進(jìn)行表征，結(jié)果表明,，與不同水組分的PUA乳劑相比,，0 %wt水（無PUA乳液）的斷裂拉應(yīng)力顯著降低，當(dāng)水分?jǐn)?shù)從0變到10 %wt時,，斷裂應(yīng)力降低,，當(dāng)乳化液中的水分?jǐn)?shù)從10 %wt增加到35 %wt時,，斷裂應(yīng)力適度降低,；而所有乳液的斷裂拉伸應(yīng)變保持在450%左右，與PUA本身相似（沒有乳液）（圖3B,、C）,。總之,，通過增加含水量,，材料需要更小的壓力來控制體積變化，因此這種方法確保了高順應(yīng)性和變形性,。

圖4 3D-DLP打印乳液的優(yōu)化

從最小打印像素尺寸62μm到500μm,，評估不同寬度的3D打印柱進(jìn)行打印性能，,，在寬度為300μm的范圍以下,，材料的機(jī)械性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致柱子撕裂（低于150μm）或彎曲（200-300μm）（圖4A,、B）,。因此選擇寬度為350μm的柱子來評估分辨率,。通過測量不同曝光時間下的實際寬度，將350μm柱的尺寸與原始STL文件（用白色框架標(biāo)記）的尺寸進(jìn)行比較（圖4C-E）,。對于低曝光時間,，測量的尺寸小于投影的STL文件，導(dǎo)致柱未固化（圖4C）,，這意味著聚合沒有完成,。當(dāng)過度照射時，柱的實際尺寸明顯大于STL文件（圖4E）,，這意味著發(fā)生了過度固化,。圖4F更具體地顯示了上述四種乳劑的暴露時間的函數(shù)。對于不添加任何添加劑的配方,，打印柱過度固化,，分辨率為1.2，與曝光時間無關(guān),。通過含有HyQ和SolB的配方,，這種較差的分辨率得到了顯著提高，實現(xiàn)高分辨率打印和精確定位曝光時間的范圍為1.2-1.4秒,。

圖5 最先進(jìn)的技術(shù)和軟機(jī)器人演示

圖6 最先進(jìn)的技術(shù)和軟機(jī)器人演示

具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物體由一個單元格組成,，由6個六邊形和4個正方形排列在一個4×2陣列中（圖5A、B）,。大多數(shù)多孔物體是由不能紫外固化的材料制造的,，因此其制造方法僅限于低分辨率擠出式3D打印（DIW,，F(xiàn)FF）或粉末打�,。ㄕ澈蟿﹪娚洌˙J）和選擇性激光熔融（SLM））（圖5C）。本研究方法提出了第一個基于立體光刻的具有如此高的斷裂伸長率3D打印可伸縮多孔物體,。

為了展示所開發(fā)材料的潛在能力,，設(shè)計了一種獨特的軟執(zhí)行器。這種閥門式執(zhí)行器（VLA）的目的是實現(xiàn)一個完全由乳化液油墨組成的整體結(jié)構(gòu),，主要由徑向腔室和附著在內(nèi)膜上的彈性晶格層組成,，VLA可以通過正壓下內(nèi)壁的膨脹，同時確保與物體的順應(yīng)和安全交互（圖6A,、B）,。在大氣壓力下，VLA的抓取面積約為150mm2（直徑為14mm）,，在10 kPa時可以完全閉合（圖6C）,。由于鑲嵌結(jié)構(gòu)和優(yōu)化的尺寸，VLA能夠抓取微小的物體,，如23G針（直徑僅0.64mm）（圖6D）,。其有效載荷是其重量的12倍—VLA的重量僅為30 g,，它可以將重量提升到350g（圖6E）。

綜上所述,，本研究提出了一種基于紫外固化油中水乳劑的DLP打印制備可變形多孔結(jié)構(gòu)的新方法,，并證明了其在軟機(jī)器人領(lǐng)域的高應(yīng)用潛力。這種乳化液能夠制造出具有可控制力學(xué)性能的高度可拉伸和可壓縮的多孔結(jié)構(gòu),，可以通過簡單地改變材料的分散相分?jǐn)?shù)來定制,。本研究不僅突出了這些新組合在推動軟機(jī)器人領(lǐng)域的創(chuàng)新方面的潛力，而且還在其他領(lǐng)域開辟了更多的可能性,，如需要超彈性材料的個性化保護(hù)齒輪,。

文章來源：
DOI https://doi.org/10.1039/D3MH00773A