3D打印形狀復雜且變形可控的水凝膠結構

供稿人:孟佳麗 連芩

2019年中國科學院大學Bo Yu教授團隊提出利用3D打印光固化的方法可制造出形狀復雜且變形可控的水凝膠結構，圖1為該研究的實驗裝置圖與自彎曲、自扭曲變形示意圖。通過熱響應式水凝膠內引入的凹槽微結構，即通過在水凝膠結構側面引入二級微結構導致結構不對稱膨脹從而引起變形的原理，形成彎曲、扭轉、甚至模仿植物卷曲、花瓣和八爪魚等復雜變形。該方法最為重要的，是將刺激響應性材料與3D打印相結合，可以實現(xiàn)刺激響應式的形狀變形，例如熱響應抓持器，可通過溫度控制實現(xiàn)了物品的抓取和釋放。由于材料的多樣性、結構設計的靈活性以及3D打印的簡便性，該研究為軟機器人、組織工程等創(chuàng)建復雜的形狀變形架構開辟了新道路。

圖1 a實驗裝置，b自彎曲、自扭轉變形示意圖

該研究探究了曝光時間、水凝膠結構引入的凹槽特征對最終結構的彎曲和扭轉角度的影響以及溫度對結構恢復原樣的時間的影響，發(fā)現(xiàn)（1）曝光時間越短，水凝膠結構彎曲角度越小。其原理為更高的固化時間導致更高的反應轉換率，更高的轉換率會有更高的彈性模量，表現(xiàn)為更緊密的交聯(lián)結構，所以會產(chǎn)生較小的彎曲角度和較低的不對稱力。經(jīng)過實驗探究，合適的曝光時間為8s。（2）當結構層和基底層制件的厚度比保持恒定時，對于具有較小傾斜角的較窄和較薄的條帶需要較短的時間扭轉到一定角度。也就是隨著凹槽厚度與寬度減少，扭轉扭矩會減少，扭轉速度會增加凹槽的厚度越小、寬度越小、傾斜方向越小，扭轉角度越大；（3）水溫越高，結構恢復原貌的時間就越短。常溫水中的恢復時間大約為60℃水中恢復時間的8倍。

研究學者應用該方法制造出了熱響應抓手，抓取與釋放過程如圖2所示。抓手結構在冷水中收縮，可實現(xiàn)對0.15g空心球的抓取，離開冷水時，抓手對球的抓力克服了抓球的重力以及抓球與水的相互作用力，使得抓手可成功的將抓球轉移到熱水中。抓手在熱水中舒張，實現(xiàn)了0.15g的空芯球體的釋放。該案例顯示出3D打印與熱響應材料相結合，為軟體機器人的開發(fā)提供了新的思路。

圖2 抓手的抓取球體與釋放球體示意圖

參考文獻：
Ji Z, Yan C, Yu B, et al. 3D Printing of Hydrogel Architectures with Complex and Controllable Shape Deformation[J]. Advanced Materials Technologies, 2019: 1800713.

供稿人:孟佳麗 連芩
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室