3D打印液晶彈性體可造出變形結(jié)構(gòu)使軟機器人和可穿戴設(shè)備更易實現(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，組織的機械性能和微觀結(jié)構(gòu)會逐漸變化，以增強結(jié)構(gòu)的耐用性。具有漸變機械性能的結(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)動的功能梯度軟機器人，并使用了模量梯度來減少機器人腿中的局部變形。分級髖關(guān)節(jié)假體已被開發(fā)出用來增強植入物與骨骼之間的結(jié)合強度。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