《Nature》:哈佛大學(xué)開(kāi)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(dǎo)讀：螺旋結(jié)構(gòu)在自然界中無(wú)處不在，這種結(jié)果可以具有獨(dú)特的機(jī)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(guò)單獨(dú)長(zhǎng)絲的纏繞、扭轉(zhuǎn)和編織、微流體、打印等方法制造出來(lái)。然而，這些制造方法無(wú)法同時(shí)從眾多的材料中創(chuàng)建多材料的螺旋結(jié)構(gòu)長(zhǎng)絲。

2023年1月19日，南極熊獲悉，來(lái)自哈佛大學(xué)的研究人員開(kāi)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了人造肌肉和彈性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以用于軟機(jī)器等應(yīng)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(zhǎng)絲》）。

△將墨水通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的噴嘴輸送，該噴嘴允許同時(shí)打印多種材料。當(dāng)噴嘴旋轉(zhuǎn)和平移時(shí)，擠出的墨水形成具有嵌入螺旋特征的細(xì)絲。研究成果
●研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)旋轉(zhuǎn)多材料3D打�。≧M-3DP）平臺(tái)，該平臺(tái)能夠?qū)﹂L(zhǎng)絲的局部方向進(jìn)行亞體素控制。

●通過(guò)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(zhǎng)絲，其螺旋角、層厚度和幾個(gè)材料之間的界面面積都是可設(shè)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(dòng)器組成的功能性人工肌肉，該致動(dòng)器具有高保真和可單獨(dú)尋址的導(dǎo)電螺旋通道，嵌入在電介質(zhì)彈性體矩陣中。

●同時(shí)，研究者還制造了分層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包括在順應(yīng)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(tái)為開(kāi)發(fā)多功能結(jié)構(gòu)物質(zhì)開(kāi)辟了新途徑。


△打印頭由四個(gè)墨盒組成，每個(gè)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(shè)計(jì)并打印了螺旋式電介質(zhì)彈性體致動(dòng)器（HDEA）長(zhǎng)絲，該長(zhǎng)絲具有離散的、可單獨(dú)處理的螺旋式導(dǎo)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(zhǎng)絲包括由夾在兩個(gè)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(dòng)單元。



有彈性的絲狀物和網(wǎng)狀物
為了生成結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料，研究人員打印了結(jié)構(gòu)化的 "彈性 "長(zhǎng)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(zhǎng)絲是通過(guò)從一個(gè)扇形核心噴嘴共擠兩種粘彈性油墨來(lái)制造的，將堅(jiān)硬的丙烯酸彈簧（藍(lán)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(kāi)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(jìn)行可編程的亞體素控制，可以在一維、二維和三維圖案中進(jìn)行設(shè)計(jì)。 通過(guò)進(jìn)一步調(diào)整噴嘴的內(nèi)部特征，這些結(jié)構(gòu)的分辨率、復(fù)雜性和性能可以從亞體素尺度到宏觀尺度得到進(jìn)一步提高。