3D打印液態(tài)金屬聚合物復(fù)合材料用于近紅外光響應(yīng)的4D打印軟機(jī)器人

來源： 高分子科技

4D 打印作為3D打印的延伸技術(shù)，通過整合第四個(gè)維度時(shí)間以實(shí)現(xiàn)3D打印的物體在環(huán)境刺激下將自身轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)和形狀。這種先進(jìn)的4D打印技術(shù)徹底改變了材料設(shè)計(jì)和制造，特別是軟機(jī)器人領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的 3D 打印聚合物通常缺乏對(duì)環(huán)境刺激的響應(yīng)能力，限制了軟機(jī)器人在不同環(huán)境和場(chǎng)景下的交互和適應(yīng)性。由于其優(yōu)異的物理特性，如導(dǎo)電性、光熱性、磁性等，將剛性納米粒子集成到軟機(jī)器人中似乎為提高軟機(jī)器人的刺激響應(yīng)能力提供了一種實(shí)用的解決方案。然而，剛性納米粒子摻雜的軟機(jī)器人面臨著一些障礙，包括降低了軟機(jī)器人的靈活性，不可避免地增加了材料的機(jī)械硬度，進(jìn)而限制了它們的形狀恢復(fù)和變形能力。

基于鎵的液態(tài)金屬在室溫下保持液態(tài)，具有可變形性、低熔點(diǎn)和自修復(fù)能力。值得注意的是，它們卓越的光熱效應(yīng)能夠?qū)�近紅外光照射做出反應(yīng)，從而擴(kuò)展了它們的功能潛力。受此啟發(fā)，研究重點(diǎn)是探索液態(tài)金屬納米顆粒在 3D 打印和 4D 打印軟機(jī)器人中的應(yīng)用潛力。

近日，昆士蘭大學(xué)喬瑞瑞和Thomas P. Davis教授團(tuán)隊(duì)的張力文博士在Nature Communications發(fā)表了題為“3D-printed liquid metal polymer composites as NIR-responsive 4D printing soft robot”的研究論文。在這項(xiàng)工作中，該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)液態(tài)金屬納米顆粒用于增材制造以及4D打印進(jìn)行了深入的探討，并將闡述了其應(yīng)用于軟機(jī)器人的潛力。首先，該研究團(tuán)隊(duì)首先就液態(tài)金屬納米顆粒的制備進(jìn)行了研究，研究表明通過整合RAFT鏈轉(zhuǎn)移試劑可以制備單分散地穩(wěn)定液態(tài)金屬納米顆粒。其中，液態(tài)金屬納米顆粒表現(xiàn)出優(yōu)異的分散性與穩(wěn)定性，保證了3D打印過程中的均勻分散。這種均勻性不僅不影響3D打印效率，而且提高了3D打印復(fù)合材料的分辨率。出乎意料但又情理之中的是，3D打印物體受到液態(tài)金屬的柔軟特性的影響，其機(jī)械性能被進(jìn)一步降低（包括玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、儲(chǔ)能模量、拉伸應(yīng)力和楊氏模量），從而使其更適用于軟機(jī)器人的應(yīng)用。此外，該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步拓寬該制備方法的普適性，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易高效地液態(tài)金屬納米顆粒摻雜的3D打印樹脂制備。隨后，該工作進(jìn)一步闡述了液態(tài)金屬納米粒子在4D打印軟體機(jī)器人中的應(yīng)用潛力。軟機(jī)器人技術(shù)作為一個(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)域，它通過模仿自然界中存在的軟體的運(yùn)動(dòng)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)平滑和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)以滿足日益復(fù)雜的應(yīng)用需求。基于3D打印技術(shù)的軟體機(jī)器人開發(fā)一直困擾著科學(xué)家們，尤其是在賦能3D打印材料方面。液態(tài)金屬納米顆粒的光熱效應(yīng)使得3D打印復(fù)合材料在近紅外光刺激下可以使其溫度提高到80°C，使其材料溫度高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度從而展示了其形狀記憶能力。這些復(fù)合材料在光觸發(fā)下 4D 打印中表現(xiàn)出顯著的效率，在近紅外光（lmax = 808 nm, 0.3 W/cm2）照射后 60 秒內(nèi)迅速且完全恢復(fù)預(yù)編程形狀。最后，對(duì)于3D打印的液態(tài)金屬聚合物復(fù)合材料作為近紅外響應(yīng)的軟機(jī)器人的應(yīng)用潛力進(jìn)行了進(jìn)一步評(píng)價(jià)。液態(tài)金屬聚合物復(fù)合材料不僅表現(xiàn)出單純的抓取和釋放物品的能力，而且表現(xiàn)出控制旋轉(zhuǎn)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的額外能力。

因此，該工作成功開發(fā)了一種將液態(tài)金屬納米顆粒集成到 3D 打印樹脂中的多功能方法，從而制造出具有降低機(jī)械強(qiáng)度、出色光熱性能和形狀記憶能力的高分辨率液態(tài)金屬聚合物復(fù)合材料。它展示了卓越的可重復(fù)性、強(qiáng)大的舉重和先進(jìn)的軟體機(jī)器人功能，預(yù)示著機(jī)器人、醫(yī)療工具和執(zhí)行器的巨大潛力。

圖1. 液態(tài)金屬納米粒子在增材制造中的革命。 (a) 通過超聲波在乙醇溶液中制備 RAFT鏈轉(zhuǎn)移試劑輔助的液態(tài)金屬納米顆粒；(b)以二苯基(2,4,6-三甲基苯甲�；�)氧化膦為光引發(fā)劑、丙烯酸叔丁酯為單體、聚乙二醇二丙烯酸酯為交聯(lián)劑的3D打印物體的制造過程。d、t、l和w分別表示液態(tài)金屬聚合物復(fù)合材料的直徑、厚度、長(zhǎng)度和寬度；(c) 使用立體光刻 3D 打印技術(shù)制造了一個(gè)類似悉尼歌劇院的模型；(d) 液態(tài)金屬聚合物復(fù)合材料的機(jī)械性能。

圖 2.液態(tài)金屬納米顆粒在 4D 打印軟體機(jī)器人中的應(yīng)用。(a) 圖表和 (b) 通過近紅外光響應(yīng)軟機(jī)器人釋放物體的演示；(c) 圖表和 (d) 通過使用近紅外光控制軟機(jī)器人抓取和釋放物體的演示；(e) 圖表和 (f) 演示旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（狀態(tài) B）在近紅外刺激后轉(zhuǎn)變?yōu)樵�始形狀（狀態(tài) A）。

昆士蘭大學(xué)張力文博士后為論文第一作者，英國南安普頓大學(xué)唐詩楊副教授，昆士蘭大學(xué)Thomas P. Davis教授以及喬瑞瑞高級(jí)研究員為共同通訊作者。


文章鏈接
Liwen Zhang, Xumin Huang, Tim Cole, Hongda Lu, Jiangyu Hang, Weihua Li, Shi-Yang Tang*, Cyrille Boyer, Thomas P. Davis* & Ruirui Qiao*. 3D-printed liquid metal polymer composites as NIR-responsive 4D printing soft robot. Nat Commun 14, 7815 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41467-023-43667-4