石墨烯材料結(jié)合增材制造，構(gòu)筑獨(dú)立行走的3D打印機(jī)器人

中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員用氧化石墨烯3D打印了一個軟機(jī)器人，當(dāng)暴露在潮濕的環(huán)境中時(shí)，它能夠自主前后移動。科學(xué)家們將墨水直寫式（DIW）3D打印和約束干燥技術(shù)相結(jié)合制造出軟機(jī)器人，在3D打印氧化石墨烯物體能做到空隙率盡可能均一。研究人員表示，這項(xiàng)研究可以提供一個多功能平臺，從中可以進(jìn)一步開發(fā)具有水分驅(qū)動能力的氧化石墨烯軟機(jī)器人。

使用石墨烯進(jìn)行3D打印的挑戰(zhàn)

石墨烯具有許多理想的特性，適用于能源生產(chǎn)，微電子學(xué)，生物醫(yī)學(xué)和傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用。該材料的輕質(zhì)性能，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及機(jī)械強(qiáng)度在這些領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的潛力，但是由于石墨烯的大部分優(yōu)勢來自其層狀結(jié)構(gòu)，因此將這種材料用于3D打印仍然面臨重大挑戰(zhàn)。

在此之前一些實(shí)驗(yàn)組一直在探索石墨烯的潛力并研究其制作方法，例如弗吉尼亞理工大學(xué)和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究人員開發(fā)的高分辨率3D打印方法，該方法借助石墨烯在凝膠內(nèi)分散特性，最終形成3D可打印樹脂。LLNL還與加州大學(xué)圣克魯茲分校的一個團(tuán)隊(duì)合作，生產(chǎn)用于儲能設(shè)備的石墨烯基氣凝膠電極。來自西班牙陶瓷和玻璃研究所（ICV）和艾克斯 - 馬賽大學(xué)3D打印的氧化石墨烯支架作為輕質(zhì)混合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，保留了石墨烯的許多理想特性，包括導(dǎo)電性和吸附水能力。

最近，布法羅大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新型3D打印的水凈化石墨烯氣凝膠，可用于廢水處理廠，而烏普薩拉大學(xué)的科學(xué)家和石墨烯專家Graphmatech已成功將石墨烯添加到3D打印的銅部件中，以提高其強(qiáng)度和密度。

△圓柱體3D打印在石墨烯涂層銅中。照片來自烏普薩拉大學(xué)。

3D打印氧化石墨烯軟機(jī)器人

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，先前報(bào)道的3D打印氧化石墨烯結(jié)構(gòu)往往是高度多孔的。由于材料的超親水特性，氧化石墨烯油墨中的水分含量通常高于材料重量的90%，必須在3D打印過程后去除。冷凍干燥技術(shù)通常用于保持3D打印的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)的均勻性，但是這會使結(jié)構(gòu)高度多孔。為了克服這種效應(yīng)，研究人員提出通過結(jié)合DIW 3D打印和約束干燥技術(shù)來控制3D打印氧化石墨烯凝膠的收縮過程。

科學(xué)家們首先確保優(yōu)化氧化石墨烯油墨的流變特性，以便在DIW過程中實(shí)現(xiàn)平滑擠出和印刷物體的形狀穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們確保墨水包含高度對齊和致密的氧化石墨烯片。為了防止干燥階段的變形，研究人員采用約束機(jī)制，以確保整個結(jié)構(gòu)的均勻收縮。這意味著氧化石墨烯片在整個干燥過程中保持對齊和壓實(shí)，使印刷結(jié)構(gòu)能夠保持其形狀。

該方法還能夠控制3D約束角落的角度，以及局部環(huán)境的濕度，以展示他們的3D打印氧化石墨烯軟機(jī)器人的驅(qū)動能力。通過交替地將水滴落在每個軟機(jī)器人的"腿"上，它能夠在沒有任何外部電源的情況下前后移動。

根據(jù)研究人員的說法，DIW 3D打印和約束干燥的成功結(jié)合已經(jīng)形成了一個多功能平臺的基礎(chǔ)，以開發(fā)未來對水分和濕度變化敏感的氧化石墨烯軟機(jī)器人。

△3D打印的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)，厚度為20μm。圖片來自 ACS Nano。

由于該技術(shù)賦予的設(shè)計(jì)自由度，3D打印正越來越多地用于新型軟機(jī)器人應(yīng)用。