3D打印液晶弹性体可造出变形结构使软机器人和可穿戴设备

由加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院机械与航空航天工程系教授Shengqiang Cai带领的研究团队，于9月25日在Science Advances上介绍表明，通过控制3D打印液晶弹性体的印刷温度，他们可以控制材料的刚度和收缩能力/致动度。而且，它们能够通过加热来改变同一材料中不同区域的刚度。

液晶弹性体Liquid crystal elastomers(LCEs)能够产生大的可逆驱动力并产生大的工作密度，在构建新型软机器人、可穿戴设备、人造肌肉和仿生系统方面展示了潜力。液晶弹性体是可变形的弹性固体，具有有序性、双折射性和刺激响应性。液晶中的这些特征是由液晶(有序流体)和弹性体(柔软、可变形的固体)的结合产生的。

1969年，理论物理学家、诺贝尔奖获得者Pierre-Gilles De Gennes首次提到液晶，当时他考虑了聚合物网状物是否可以“压印”液晶顺序。在此后的几十年里，液晶性一直保留在各种聚合材料和网状物中。液晶体聚合物的弹性变形是主题，因序列和刺激而提供了引人注目的刺激响应行为和出色的机械性能。

基于LCE和网状物的智能仿生微/纳米结构

最近，已经探索了直接墨水书写（DIW）技术来在具有复杂几何形状的LCE结构中图案化液晶元排列。在LCE的DIW工艺中，由未交联的液晶低聚物组成的粘性油墨被挤出印刷喷嘴，并且在挤出过程中产生的剪切应力使液晶元自发地沿印刷路径排列。通过编程液晶介晶的局部排列，已经创建了具有多种驱动行为的结构。LCE的3D打印技术的进步为设计和创建基于LCE的新型软机器人和设备开辟了一条新途径。

在之前的科学家所做的3D打印LCE研究中，LCE细丝可能在一种结构中遵循各种路径，但它们通常具有相同的属性，这些属性主要由诸如打印温度和喷嘴尺寸之类的打印参数确定。相反，功能梯度材料在生物学和工程应用中无处不在。例如，在肌腱到骨的植入过程中，组织的机械性能和微观结构会逐渐变化，以增强结构的耐用性。具有渐变机械性能的结构已被制造出用来最大程度地减少应力集中并实现高柔韧性和高回弹力的结合。

Bartlett等研究人员建造了由燃烧驱动的功能梯度软机器人，并使用了模量梯度来减少机器人腿中的局部变形。分级髋关节假体已被开发出用来增强植入物与骨骼之间的结合强度。然而，由于材料的选择有限和潜在的制造挑战，很少报道具有功能梯度的机械性能和致动性能的软响应结构。

在该研究中，研究人员报告了一个简易的DIW打印方法，在一个单一的结构中印刷功能梯度LCE。通过控制印刷参数，如印刷温度、喷嘴尺寸和喷嘴与构建板之间的距离，可以印刷具有可定制特性的LCE细丝，包括驱动应变、驱动应力和机械刚度。同时，研究人员进一步证明，利用新的打印方法，可以制造由功能梯度LCE组成的结构，使得设计有源变形结构和减轻不同材料之间界面附近的应力集中成为可能。此处开发的方法可以进一步促进具有多种功能的LCE结构的设计和制造。
 

具有可调整的热机械性能的LCE的DIW印刷。

在不同温度下打印的LCE灯丝的偏振光学显微镜（POM）图像。比例尺，0.5毫米。图片来源：Zijun Wang, UCSD.

为了了解如何调整LCE的材料特性，研究人员首先非常仔细地研究了该材料。他们确定印刷的LCE细丝是由壳和芯制成的。外壳在打印后很快冷却下来，变得更硬，而芯子冷却得更慢，保持了更大的延展性。
 

具有6个花瓣的3D打印LCE双层结构

△图解：荧光染料RhB被添加到用于印刷这些结构的油墨中。所有照片都是在365纳米的紫外线照射下拍摄的。（A)每片花瓣由两层LCE组成，印刷路径不同，但印刷参数相同。两层中两个印刷路径之间的角度为90°。双层结构浸入90°C的热水中，花瓣全部扭曲。（B到D)两层花瓣的打印路径相同(沿长度方向)。此外，对于底层，LCE是以最小的驱动应变印刷的。对于花瓣的顶层，驱动应变在(B)中是均匀的，但在(C)和(D)中具有定制的梯度。当双层结构浸入90℃的热水中时，它们的弯曲形态在(B)至(D)中彼此不同。进行有限元模拟以计算印刷双层结构的变形形状。应力场用不同的颜色表示。渐变打印策略增加了主动变形结构的设计空间。比例尺，20毫米。

研究人员用两层具有不同特性的LCE制成3D打印结构，结果表明，这给了材料更大的驱动自由度。研究人员用这种材料印刷了花格结构，可用于医疗应用。

因此，研究人员能够确定如何在印刷过程中改变多个参数，尤其是温度，以调整LCE的机械性能。简而言之，印刷温度越高，材料的柔韧性和延展性就越高。虽然LCE墨水的制备需要几天的时间，但实际的3D打印可以在1-2小时内完成，具体取决于要打印的结构的几何形状。基于LCE细丝的特性和印刷参数之间的关系，很容易构建具有渐变材料特性的结构。
改变3D打印结构的温度

例如，研究人员在40摄氏度（104华氏度）下打印了LCE圆盘，并在热水中将其加热到90摄氏度（194华氏度），圆盘变形为圆锥形。但是，由在不同温度（例如40，然后80和120摄氏度）打印的区域组成的LCE盘在加热时会变形为完全不同的形状。
 

由功能梯度LCE组成的3D打印主动变形结构

△图解：（A)到(D)是四个圆周印刷有LCE细丝的圆盘。LCE细丝的致动应变在(A)中是均匀的，并且在(B)到(D)中具有定制的梯度。每个圆盘的驱动应变大小由草图中蓝色的暗度表示。当圆盘浸入90℃的热水中时，四个圆盘的热致变形彼此有显著不同。进行有限元模拟以模拟变形的形状。垂直位移场用不同的颜色表示。比例尺，20毫米。

最后，作为概念证明，研究小组3D打印了他们在3D打印过程中进行过调谐的LCE管，并显示了在约94℃(201℉)的高温下启动时，它可以粘附在刚性玻璃板上的时间更长，而不是具有均质特性的普通LCE管。这可能导致制造出更好的机器人抓手。

这种材料的驱动不仅可以在热水中激活，还可以通过向LCE中注入热敏颗粒或吸收光并将其转化为热的颗粒（从黑色墨水粉末到石墨烯的任何一种）来激活。

接下来的步骤包括找到一种更精确、更有效地调整材料性能的方法。研究人员还致力于修改墨水，使印刷结构可以自我修复，重新编程，并可回收利用。