3D打印形狀復(fù)雜且變形可控的水凝膠結(jié)構(gòu)

供稿人:孟佳麗 連芩

2019年中國科學(xué)院大學(xué)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(fù)雜且變形可控的水凝膠結(jié)構(gòu)，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(yīng)式水凝膠內(nèi)引入的凹槽微結(jié)構(gòu)，即通過在水凝膠結(jié)構(gòu)側(cè)面引入二級微結(jié)構(gòu)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不對稱膨脹從而引起變形的原理，形成彎曲、扭轉(zhuǎn)、甚至模仿植物卷曲、花瓣和八爪魚等復(fù)雜變形。該方法最為重要的，是將刺激響應(yīng)性材料與3D打印相結(jié)合，可以實現(xiàn)刺激響應(yīng)式的形狀變形，例如熱響應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)雜的形狀變形架構(gòu)開辟了新道路。

圖1 a實驗裝置，b自彎曲、自扭轉(zhuǎn)變形示意圖

該研究探究了曝光時間、水凝膠結(jié)構(gòu)引入的凹槽特征對最終結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)角度的影響以及溫度對結(jié)構(gòu)恢復(fù)原樣的時間的影響，發(fā)現(xiàn)（1）曝光時間越短，水凝膠結(jié)構(gòu)彎曲角度越小。其原理為更高的固化時間導(dǎo)致更高的反應(yīng)轉(zhuǎn)換率，更高的轉(zhuǎn)換率會有更高的彈性模量，表現(xiàn)為更緊密的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，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(dāng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)到一定角度。也就是隨著凹槽厚度與寬度減少，扭轉(zhuǎn)扭矩會減少，扭轉(zhuǎn)速度會增加凹槽的厚度越小、寬度越小、傾斜方向越小，扭轉(zhuǎn)角度越大；（3）水溫越高，結(jié)構(gòu)恢復(fù)原貌的時間就越短。常溫水中的恢復(fù)時間大約為60℃水中恢復(fù)時間的8倍。

研究學(xué)者應(yīng)用該方法制造出了熱響應(yīng)抓手，抓取與釋放過程如圖2所示。抓手結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(yīng)材料相結(jié)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