3D打印液態(tài)金屬聚合物復合材料用于近紅外光響應的4D打印軟機器人

來源： 高分子科技

4D 打印作為3D打印的延伸技術，通過整合第四個維度時間以實現3D打印的物體在環(huán)境刺激下將自身轉變?yōu)榱硪环N結構和形狀。這種先進的4D打印技術徹底改變了材料設計和制造，特別是軟機器人領域。然而，傳統的 3D 打印聚合物通常缺乏對環(huán)境刺激的響應能力，限制了軟機器人在不同環(huán)境和場景下的交互和適應性。由于其優(yōu)異的物理特性，如導電性、光熱性、磁性等，將剛性納米粒子集成到軟機器人中似乎為提高軟機器人的刺激響應能力提供了一種實用的解決方案。然而，剛性納米粒子摻雜的軟機器人面臨著一些障礙，包括降低了軟機器人的靈活性，不可避免地增加了材料的機械硬度，進而限制了它們的形狀恢復和變形能力。

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

近日，昆士蘭大學喬瑞瑞和Thomas P. Davis教授團隊的張力文博士在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。在這項工作中，該研究團隊對液態(tài)金屬納米顆粒用于增材制造以及4D打印進行了深入的探討，并將闡述了其應用于軟機器人的潛力。首先，該研究團隊首先就液態(tài)金屬納米顆粒的制備進行了研究，研究表明通過整合RAFT鏈轉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，其機械性能被進一步降低（包括玻璃化轉變溫度、儲能模量、拉伸應力和楊氏模量），從而使其更適用于軟機器人的應用。此外，該研究團隊進一步拓寬該制備方法的普適性，實現了簡易高效地液態(tài)金屬納米顆粒摻雜的3D打印樹脂制備。隨后，該工作進一步闡述了液態(tài)金屬納米粒子在4D打印軟體機器人中的應用潛力。軟機器人技術作為一個不斷發(fā)展的領域，它通過模仿自然界中存在的軟體的運動機制來實現平滑和復雜的運動以滿足日益復雜的應用需求�；�于3D打印技術的軟體機器人開發(fā)一直困擾著科學家們，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使得3D打印復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變溫度從而展示了其形狀記憶能力。這些復合材料在光觸發(fā)下 4D 打印中表現出顯著的效率，在近紅外光（lmax = 808 nm, 0.3 W/cm2）照射后 60 秒內迅速且完全恢復預編程形狀。最后，對于3D打印的液態(tài)金屬聚合物復合材料作為近紅外響應的軟機器人的應用潛力進行了進一步評價。液態(tài)金屬聚合物復合材料不僅表現出單純的抓取和釋放物品的能力，而且表現出控制旋轉雙穩(wěn)態(tài)結構的額外能力。

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械強度、出色光熱性能和形狀記憶能力的高分辨率液態(tài)金屬聚合物復合材料。它展示了卓越的可重復性、強大的舉重和先進的軟體機器人功能，預示著機器人、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)金屬聚合物復合材料的直徑、厚度、長度和寬度；(c) 使用立體光刻 3D 打印技術制造了一個類似悉尼歌劇院的模型；(d) 液態(tài)金屬聚合物復合材料的機械性能。

圖 2.液態(tài)金屬納米顆粒在 4D 打印軟體機器人中的應用。(a) 圖表和 (b) 通過近紅外光響應軟機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器人抓取和釋放物體的演示；(e) 圖表和 (f) 演示旋轉結構（狀態(tài) B）在近紅外刺激后轉變?yōu)樵�始形狀（狀態(tài) A）。

昆士蘭大學張力文博士后為論文第一作者，英國南安普頓大學唐詩楊副教授，昆士蘭大學Thomas P. Davis教授以及喬瑞瑞高級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