據(jù)悉，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布工程學(xué)院機(jī)械與航空航天工程系教授蔡勝?gòu)?qiáng)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)9月25日在科學(xué)進(jìn)展介紹，他們可以通過(guò)控制3D打印液晶彈性體的打印溫度來(lái)控制材料的剛度和收縮/致動(dòng)。而且，它們可以通過(guò)加熱改變同一材料不同區(qū)域的硬度。
液晶彈性體能夠產(chǎn)生大的可逆驅(qū)動(dòng)力和高的工作密度，在構(gòu)建新型柔性機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、人工肌肉和仿生系統(tǒng)方面顯示出潛力。液晶彈性體是一種具有有序性、雙折射性和刺激響應(yīng)性的可變形彈性固體。液晶中的這些特性是由液晶(有序流體)和彈性體(柔軟的、可變形的固體)結(jié)合而產(chǎn)生的。1969年，理論物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者皮埃爾-吉勒斯·德·根尼斯(Pierre-Gilles De Gennes)首次提到液晶。當(dāng)時(shí)，他考慮的是聚合物網(wǎng)絡(luò)是否可以“印記”液晶的順序。在接下來(lái)的幾十年里，液晶性一直存在于各種聚合物材料和網(wǎng)絡(luò)中。液晶聚合物的彈性變形是主題，因?yàn)樾蛄泻痛碳ざ峁╋@著的刺激響應(yīng)行為和優(yōu)異的機(jī)械性能。
基于LCE和網(wǎng)格的智能仿生微納結(jié)構(gòu)
最近，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了直接墨水書寫(DIW)技術(shù)，以在具有復(fù)雜幾何形狀的LCE結(jié)構(gòu)中圖案化液晶單元排列。在LCE的DIW工藝中，由未交聯(lián)的液晶低聚物組成的粘性墨水從打印噴嘴中擠出，在擠出過(guò)程中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力使液晶單元自發(fā)地沿打印路徑排列。通過(guò)編程液晶介晶的局部排列，已經(jīng)產(chǎn)生了具有各種驅(qū)動(dòng)行為的結(jié)構(gòu)。LCE 3D打印技術(shù)的進(jìn)步為設(shè)計(jì)和創(chuàng)造基于LCE的新型軟性機(jī)器人和裝置開(kāi)辟了一條新的道路。
在之前對(duì)3D打印LCE的研究中，LCE細(xì)絲在一個(gè)結(jié)構(gòu)中可能遵循各種路徑，但它們通常具有相同的屬性，這主要由打印溫度和噴嘴尺寸等打印參數(shù)決定。相反，功能梯度材料在生物和工程應(yīng)用中無(wú)處不在。例如，在肌腱植入骨骼的過(guò)程中，組織的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸發(fā)生變化，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性。已經(jīng)制造了具有漸變機(jī)械性能的結(jié)構(gòu)，以最小化應(yīng)力集中并實(shí)現(xiàn)高柔性和高彈性的組合。Bartlett和其他研究人員建造了一個(gè)由燃燒驅(qū)動(dòng)的功能梯度軟機(jī)器人，并使用模量梯度來(lái)減少機(jī)器人腿部的局部變形。梯度髖關(guān)節(jié)假體已被開(kāi)發(fā)，以提高種植體和骨之間的結(jié)合強(qiáng)度。然而， 由于材料的有限選擇和潛在的制造挑戰(zhàn)，很少有關(guān)于具有機(jī)械性能和功能梯度驅(qū)動(dòng)性能的軟響應(yīng)結(jié)構(gòu)的報(bào)道。
在這項(xiàng)研究中，研究人員報(bào)告了一種簡(jiǎn)單的DIW印刷方法，在單一結(jié)構(gòu)中印刷功能梯度LCE。通過(guò)控制印刷參數(shù)，例如印刷溫度、噴嘴尺寸和噴嘴與建筑板之間的距離，可以印刷具有可定制特性的LCE細(xì)絲，包括驅(qū)動(dòng)應(yīng)變、驅(qū)動(dòng)應(yīng)力和機(jī)械剛度。同時(shí)，研究人員進(jìn)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)，這使得設(shè)計(jì)主動(dòng)變形結(jié)構(gòu)和降低不同材料界面附近的應(yīng)力集中成為可能。該方法可進(jìn)一步促進(jìn)多功能LCE結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。
具有可調(diào)熱機(jī)械性能的LCE的DIW印刷
不同溫度下印刷的LCE長(zhǎng)絲的POM圖像。刻度，0.5毫米
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(xì)地研究了這種材料。他們確定印刷的LCE細(xì)絲是由殼和核組成的。外殼在打印后冷卻很快，變得更硬，而內(nèi)核冷卻更慢，保持更大的延展性。
6瓣3D打印LCE雙層結(jié)構(gòu)
△圖示:用來(lái)打印這些結(jié)構(gòu)的墨水中加入了熒光染料RhB。所有的照片都是在365納米的紫外線下拍攝的。(a)每個(gè)花瓣由兩層LCE組成。打印路徑不同，但打印參數(shù)相同。兩層中的兩條印刷路徑之間的角度為90°。雙層結(jié)構(gòu)浸在90℃的熱水中，花瓣全部扭曲。(b)到(d)兩層花瓣的印刷路徑相同(沿長(zhǎng)度方向)。此外，對(duì)于底層，LCE印刷有最小的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變。對(duì)于花瓣的頂層，驅(qū)動(dòng)應(yīng)變?cè)?b)中是均勻的，但是在(c)和(d)中具有定制的梯度。當(dāng)雙層結(jié)構(gòu)浸入90℃的熱水中時(shí)，它們的彎曲形式在(b)到(d)中彼此不同。進(jìn)行有限元模擬計(jì)算印刷雙層結(jié)構(gòu)的變形形狀。應(yīng)力場(chǎng)用不同的顏色表示。漸進(jìn)印刷策略增加了主動(dòng)變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間。比例尺，20毫米。圖片來(lái)源:加州大學(xué)圣地亞哥分校。
研究人員使用兩層具有不同特性的LCE來(lái)制作3D打印結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明這賦予了材料更大的驅(qū)動(dòng)自由度。研究人員用這種材料打印了一種晶格結(jié)構(gòu)，可以用于醫(yī)療應(yīng)用。
因此，研究人員可以確定如何在印刷過(guò)程中改變幾個(gè)參數(shù)，特別是溫度，以調(diào)整LCE的機(jī)械性能。簡(jiǎn)而言之，印刷溫度越高，材料的柔韌性和延展性越高。雖然LCE墨水的制備需要幾天時(shí)間，但實(shí)際的3D打印可以在1-2小時(shí)內(nèi)完成，這取決于要打印的結(jié)構(gòu)的幾何形狀。基于LCE細(xì)絲的特性和印刷參數(shù)之間的關(guān)系，很容易構(gòu)建具有逐漸變化的材料特性的結(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)下打印了一個(gè)LCE圓盤，并在熱水中加熱到90攝氏度(194華氏度)，圓盤變形為圓錐形。然而，由不同溫度(例如，40，然后80和120攝氏度)印刷的區(qū)域組成的LCE盤在加熱時(shí)會(huì)變形為完全不同的形狀。
由功能梯度LCE構(gòu)成的3D打印主動(dòng)變形結(jié)構(gòu)
最后，作為概念的證明，研究團(tuán)隊(duì)3D打印了他們?cè)?D打印過(guò)程中調(diào)整過(guò)的LCE管，并表明當(dāng)它在大約94℃(201℉)的高溫下啟動(dòng)時(shí)，它可以比具有均勻特性的普通LCE管粘附在剛性玻璃板上更長(zhǎng)的時(shí)間。這可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)更好的機(jī)器人手爪的創(chuàng)建。
這種材料的驅(qū)動(dòng)不僅可以在熱水中激活，還可以通過(guò)注入熱敏粒子或吸收光線并將其轉(zhuǎn)化為熱量的粒子(從黑色墨水粉末到石墨烯)來(lái)激活LCE。
下一步包括找到一種更準(zhǔn)確有效的方法來(lái)調(diào)整材料性能。研究人員還致力于修改墨水，以便打印的結(jié)構(gòu)可以自我修復(fù)，重新編程和回收。