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(lái)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(duì)，于9月25日在Science Advances上介紹表明，通過(guò)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(dòng)度。而且，它們能夠通過(guò)加熱來(lái)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(dòng)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(jiǎng)獲得者Pierre-Gilles De Gennes首次提到液晶，當(dāng)時(shí)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(shū)寫(xiě)（DIW）技術(shù)來(lái)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(guò)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(guò)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(dòng)行為的結(jié)構(gòu)。LCE的3D打印技術(shù)的進(jìn)步為設(shè)計(jì)和創(chuàng)建基于LCE的新型軟機(jī)器人和設(shè)備開(kāi)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(lèi)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(wú)處不在。例如，在肌腱到骨的植入過(guò)程中，組織的機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)會(huì)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(lái)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(dòng)的功能梯度軟機(jī)器人，并使用了模量梯度來(lái)減少機(jī)器人腿中的局部變形。分級(jí)髖關(guān)節(jié)假體已被開(kāi)發(fā)出用來(lái)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(bào)道具有功能梯度的機(jī)械性能和致動(dòng)性能的軟響應(yīng)結(jié)構(gòu)。

在該研究中，研究人員報(bào)告了一個(gè)簡(jiǎn)易的DIW打印方法，在一個(gè)單一的結(jié)構(gòu)中印刷功能梯度LCE。通過(guò)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(dòng)應(yīng)變、驅(qū)動(dòng)應(yīng)力和機(jī)械剛度。同時(shí)，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(jì)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(kāi)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(jì)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(lái)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(lái)，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(gè)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(gè)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(zhǎng)度方向)。此外，對(duì)于底層，LCE是以最小的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變印刷的。對(duì)于花瓣的頂層，驅(qū)動(dòng)應(yīng)變?cè)?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(shí)，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(jì)算印刷雙層結(jié)構(gòu)的變形形狀。應(yīng)力場(chǎng)用不同的顏色表示。漸變打印策略增加了主動(dòng)變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間。比例尺，20毫米。圖片來(lái)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(dòng)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(guò)程中改變多個(gè)參數(shù)，尤其是溫度，以調(diào)整LCE的機(jī)械性能。簡(jiǎn)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(shí)間，但實(shí)際的3D打印可以在1-2小時(shí)內(nèi)完成，具體取決于要打印的結(jié)構(gòu)的幾何形狀�；�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(pán)，并在熱水中將其加熱到90攝氏度（194華氏度），圓盤(pán)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(pán)在加熱時(shí)會(huì)變形為完全不同的形狀。

由功能梯度LCE組成的3D打印主動(dòng)變形結(jié)構(gòu)

△圖解：（A)到(D)是四個(gè)圓周印刷有LCE細(xì)絲的圓盤(pán)。LCE細(xì)絲的致動(dòng)應(yīng)變?cè)?A)中是均勻的，并且在(B)到(D)中具有定制的梯度。每個(gè)圓盤(pán)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變大小由草圖中藍(lán)色的暗度表示。當(dāng)圓盤(pán)浸入90℃的熱水中時(shí)，四個(gè)圓盤(pán)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(chǎng)用不同的顏色表示。比例尺，20毫米。圖片來(lái)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?cè)?D打印過(guò)程中進(jìn)行過(guò)調(diào)諧的LCE管，并顯示了在約94℃(201℉)的高溫下啟動(dòng)時(shí)，它可以粘附在剛性玻璃板上的時(shí)間更長(zhǎng)，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(dòng)不僅可以在熱水中激活，還可以通過(guò)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(lái)激活。

接下來(lái)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(lèi)執(zhí)行超能力任務(wù)

本文來(lái)源：DOI: 10.1126/sciadv.abc0034