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備更易實現(xiàn)

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟

導讀：據(jù)悉，由加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院機械與航空航天工程系教授Shengqiang Cai帶領的研究團隊，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，理論物理學家、諾貝爾獎獲得者Pierre-Gilles De Gennes首次提到液晶，當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）技術來在具有復雜幾何形狀的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打印技術的進步為設計和創(chuàng)建基于LCE的新型軟機器人和設備開辟了一條新途徑。

在之前的科學家所做的3D打印LCE研究中，LCE細絲可能在一種結(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和工程應用中無處不在。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細絲，包括驅(qū)動應變、驅(qū)動應力和機械剛度。同時，研究人員進一步證明，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)，使得設計有源變形結(jié)構(gòu)和減輕不同材料之間界面附近的應力集中成為可能。此處開發(fā)的方法可以進一步促進具有多種功能的LCE結(jié)構(gòu)的設計和制造。

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地研究了該材料。他們確定印刷的LCE細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)動應變印刷的。對于花瓣的頂層，驅(qū)動應變在(B)中是均勻的，但在(C)和(D)中具有定制的梯度。當雙層結(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。進行有限元模擬以計算印刷雙層結(jié)構(gòu)的變形形狀。應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)的設計空間。比例尺，20毫米。圖片來源:加州大學圣地亞哥分校。

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細絲的特性和印刷參數(shù)之間的關系，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細絲的圓盤。LCE細絲的致動應變在(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)動應變大小由草圖中藍色的暗度表示。當圓盤浸入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，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

本文來源：DOI: 10.1126/sciadv.abc0034