加州大学研究表明3D打印液晶弹性体可造出变形结构

据悉，美国加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院机械与航空航天工程系教授蔡胜强领导的研究团队9月25日在科学进展介绍，他们可以通过控制3D打印液晶弹性体的打印温度来控制材料的刚度和收缩/致动。而且，它们可以通过加热改变同一材料不同区域的硬度。

液晶弹性体能够产生大的可逆驱动力和高的工作密度，在构建新型柔性机器人、可穿戴设备、人工肌肉和仿生系统方面显示出潜力。液晶弹性体是一种具有有序性、双折射性和刺激响应性的可变形弹性固体。液晶中的这些特性是由液晶(有序流体)和弹性体(柔软的、可变形的固体)结合而产生的。1969年，理论物理学家、诺贝尔奖获得者皮埃尔-吉勒斯·德·根尼斯(Pierre-Gilles De Gennes)首次提到液晶。当时，他考虑的是聚合物网络是否可以“印记”液晶的顺序。在接下来的几十年里，液晶性一直存在于各种聚合物材料和网络中。液晶聚合物的弹性变形是主题，因为序列和刺激而提供显著的刺激响应行为和优异的机械性能。

基于LCE和网格的智能仿生微纳结构

最近，已经开发了直接墨水书写(DIW)技术，以在具有复杂几何形状的LCE结构中图案化液晶单元排列。在LCE的DIW工艺中，由未交联的液晶低聚物组成的粘性墨水从打印喷嘴中挤出，在挤出过程中产生的剪切应力使液晶单元自发地沿打印路径排列。通过编程液晶介晶的局部排列，已经产生了具有各种驱动行为的结构。LCE 3D打印技术的进步为设计和创造基于LCE的新型软性机器人和装置开辟了一条新的道路。

在之前对3D打印LCE的研究中，LCE细丝在一个结构中可能遵循各种路径，但它们通常具有相同的属性，这主要由打印温度和喷嘴尺寸等打印参数决定。相反，功能梯度材料在生物和工程应用中无处不在。例如，在肌腱植入骨骼的过程中，组织的力学性能和微观结构会逐渐发生变化，以增强结构的耐久性。已经制造了具有渐变机械性能的结构，以最小化应力集中并实现高柔性和高弹性的组合。Bartlett和其他研究人员建造了一个由燃烧驱动的功能梯度软机器人，并使用模量梯度来减少机器人腿部的局部变形。梯度髋关节假体已被开发，以提高种植体和骨之间的结合强度。然而， 由于材料的有限选择和潜在的制造挑战，很少有关于具有机械性能和功能梯度驱动性能的软响应结构的报道。

在这项研究中，研究人员报告了一种简单的DIW印刷方法，在单一结构中印刷功能梯度LCE。通过控制印刷参数，例如印刷温度、喷嘴尺寸和喷嘴与建筑板之间的距离，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，这使得设计主动变形结构和降低不同材料界面附近的应力集中成为可能。该方法可进一步促进多功能LCE结构的设计和制造。

具有可调热机械性能的LCE的DIW印刷

不同温度下印刷的LCE长丝的POM图像。刻度，0.5毫米

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这种材料。他们确定印刷的LCE细丝是由壳和核组成的。外壳在打印后冷却很快，变得更硬，而内核冷却更慢，保持更大的延展性。

6瓣3D打印LCE双层结构

△图示:用来打印这些结构的墨水中加入了荧光染料RhB。所有的照片都是在365纳米的紫外线下拍摄的。(a)每个花瓣由两层LCE组成。打印路径不同，但打印参数相同。两层中的两条印刷路径之间的角度为90°。双层结构浸在90℃的热水中，花瓣全部扭曲。(b)到(d)两层花瓣的印刷路径相同(沿长度方向)。此外，对于底层，LCE印刷有最小的驱动应变。对于花瓣的顶层，驱动应变在(b)中是均匀的，但是在(c)和(d)中具有定制的梯度。当双层结构浸入90℃的热水中时，它们的弯曲形式在(b)到(d)中彼此不同。进行有限元模拟计算印刷双层结构的变形形状。应力场用不同的颜色表示。渐进印刷策略增加了主动变形结构的设计空间。比例尺，20毫米。图片来源:加州大学圣地亚哥分校。

研究人员使用两层具有不同特性的LCE来制作3D打印结构，结果表明这赋予了材料更大的驱动自由度。研究人员用这种材料打印了一种晶格结构，可以用于医疗应用。

因此，研究人员可以确定如何在印刷过程中改变几个参数，特别是温度，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越高。虽然LCE墨水的制备需要几天时间，但实际的3D打印可以在1-2小时内完成，这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，很容易构建具有逐渐变化的材料特性的结构。

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)下打印了一个LCE圆盘，并在热水中加热到90摄氏度(194华氏度)，圆盘变形为圆锥形。然而，由不同温度(例如，40，然后80和120摄氏度)印刷的区域组成的LCE盘在加热时会变形为完全不同的形状。

由功能梯度LCE构成的3D打印主动变形结构

最后，作为概念的证明，研究团队3D打印了他们在3D打印过程中调整过的LCE管，并表明当它在大约94℃(201℉)的高温下启动时，它可以比具有均匀特性的普通LCE管粘附在刚性玻璃板上更长的时间。这可能会导致一个更好的机器人手爪的创建。

这种材料的驱动不仅可以在热水中激活，还可以通过注入热敏粒子或吸收光线并将其转化为热量的粒子(从黑色墨水粉末到石墨烯)来激活LCE。

下一步包括找到一种更准确有效的方法来调整材料性能。研究人员还致力于修改墨水，以便打印的结构可以自我修复，重新编程和回收。