《Nature》:哈佛大學開發(fā)了一種用于制造螺旋絲的旋轉(zhuǎn)多材料3D打印方法

導讀：螺旋結(jié)構(gòu)在自然界中無處不在，這種結(jié)果可以具有獨特的機械性能和多功能性。到目前為止，螺旋結(jié)構(gòu)的合成已經(jīng)通過單獨長絲的纏繞、扭轉(zhuǎn)和編織、微流體、打印等方法制造出來。然而，這些制造方法無法同時從眾多的材料中創(chuàng)建多材料的螺旋結(jié)構(gòu)長絲。

2023年1月19日，南極熊獲悉，來自哈佛大學的研究人員開發(fā)了一種用于制造螺旋絲的旋轉(zhuǎn)多材料 3D 打印方法。使用這種新方法，該團隊設計并制造了人造肌肉和彈性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以用于軟機器等應用種。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在了《Nature》上，題目為《Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control》（《具有亞體素控制的旋轉(zhuǎn)式多材料打印長絲》）。

△將墨水通過一個復雜的噴嘴輸送，該噴嘴允許同時打印多種材料。當噴嘴旋轉(zhuǎn)和平移時，擠出的墨水形成具有嵌入螺旋特征的細絲。研究成果
●研究人員設計了一個旋轉(zhuǎn)多材料3D打�。≧M-3DP）平臺，該平臺能夠?qū)﹂L絲的局部方向進行亞體素控制。

●通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)多材料噴嘴，控制角速度與平移速度之比，能夠制造螺旋狀的長絲，其螺旋角、層厚度和幾個材料之間的界面面積都是可設置的。

●利用這種綜合方法，研究人員制造了由螺旋狀電介質(zhì)彈性體致動器組成的功能性人工肌肉，該致動器具有高保真和可單獨尋址的導電螺旋通道，嵌入在電介質(zhì)彈性體矩陣中。

●同時，研究者還制造了分層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包括在順應性基質(zhì)中含有剛性彈簧的結(jié)構(gòu)化螺旋支桿�？偠�言之，這種增材制造平臺為開發(fā)多功能結(jié)構(gòu)物質(zhì)開辟了新途徑。


△打印頭由四個墨盒組成，每個墨盒可以包含不同的材料。

螺旋形電介質(zhì)彈性體執(zhí)行器
研究人員設計并打印了螺旋式電介質(zhì)彈性體致動器（HDEA）長絲，該長絲具有離散的、可單獨處理的螺旋式導電通道，具有高螺旋角、薄層和高多材料界面面積，能夠嵌入電介質(zhì)彈性體基體中。HDEA長絲包括由夾在兩個軟電極之間的軟質(zhì)電介質(zhì)彈性體膜組成的基本驅(qū)動單元。



有彈性的絲狀物和網(wǎng)狀物
為了生成結(jié)構(gòu)性復合材料，研究人員打印了結(jié)構(gòu)化的 "彈性 "長絲和由硬性和軟性亞體素組成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 彈性長絲是通過從一個扇形核心噴嘴共擠兩種粘彈性油墨來制造的，將堅硬的丙烯酸彈簧（藍色扇形特征）嵌入到柔軟的丙烯酸基質(zhì)（透明扇形核心特征）中。



總結(jié)
研究人員開發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)式多材料3D打印方法，能夠?qū)Χ嗖牧瞎δ芎徒Y(jié)構(gòu)絲的方位異質(zhì)特征的局部方向進行可編程的亞體素控制，可以在一維、二維和三維圖案中進行設計。 通過進一步調(diào)整噴嘴的內(nèi)部特征，這些結(jié)構(gòu)的分辨率、復雜性和性能可以從亞體素尺度到宏觀尺度得到進一步提高。