哈佛大學(xué)通過3D打印控制液晶彈性體材料，為軟體機(jī)器人等應(yīng)用開辟新途徑

2025年2月6日，南極熊獲悉，來自哈佛大學(xué)的研究人員通過3D打印技術(shù)控制一類名為液晶彈性體 (LCE) 的合成軟材料的特性，這種材料可以根據(jù)熱量改變形狀，類似于肌肉根據(jù)神經(jīng)系統(tǒng)信號收縮和放松的方式。3D 打印這些材料為從軟機(jī)器人和假肢到壓縮紡織品等應(yīng)用開辟了新的途徑。

要控制這種材料的屬性，需要通過 3D 打印機(jī)的噴嘴擠壓形成彈性體的墨水，從而改變墨水的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并在分子尺度上排列剛性結(jié)構(gòu)塊（稱為介晶）。然而，要在這些變形材料中實(shí)現(xiàn)特定的、有針對性的排列以及由此產(chǎn)生的屬性，需要進(jìn)行大量的反復(fù)試驗(yàn)，才能完全優(yōu)化打印條件——直到現(xiàn)在。

在一項(xiàng)新研究中，哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 (SEAS)、普林斯頓大學(xué)、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室和布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員共同制定了一項(xiàng)計(jì)劃，用于打印每次都具有可預(yù)測、可控制的排列（從而具有特性）的 LCE。通過在打印過程中使用 X 射線表征方法，研究人員能夠在微觀尺度上量化介晶排列，建立了一個(gè)基本框架來指導(dǎo)多尺度快速設(shè)計(jì)和制造。

通過調(diào)整微尺度噴嘴設(shè)計(jì)、打印速度和溫度，可以誘導(dǎo)所需的分子尺度排列，從而轉(zhuǎn)化為宏觀尺度上規(guī)定的形狀變形和機(jī)械行為。

△紅色由高度排列的分子組成，而黑色由排列較差的分子組成

這項(xiàng)研究以題為“Spatially programmed alignmentand actuation in printed liquid crystal elastomers”的論文發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上，資深作者是哈佛大學(xué)應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院 Hansjörg Wyss 生物啟發(fā)工程教授 Jennifer Lewis。Lewis 的實(shí)驗(yàn)室在 3D 打印油墨的分子和納米級設(shè)計(jì)方面擁有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，可用于開發(fā)新型功能材料。這項(xiàng)研究由前哈佛大學(xué)博士后研究員 Emily Davidson 共同領(lǐng)導(dǎo)，她現(xiàn)在是普林斯頓大學(xué)的教員，擅長設(shè)計(jì)、納米級組裝、X 射線表征和軟材料 3D 打印。

△論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2414960122

當(dāng)液晶部分組成的單個(gè)鏈相互對齊時(shí)，LCE 會(huì)表現(xiàn)出最佳的變形和機(jī)械性能。研究人員通過精細(xì)噴嘴打印這些液晶鏈，從而驅(qū)動(dòng)流動(dòng)誘導(dǎo)對齊。

第一作者 Rodrigo Telles （SEAS 研究生、學(xué)術(shù)合作計(jì)劃學(xué)者和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的合作者）說道：“當(dāng)這個(gè)項(xiàng)目開始時(shí)，我們根本就不太了解如何在基于擠壓的 3D 打印過程中精確控制液晶排列。然而，它們的排列程度會(huì)在加熱時(shí)產(chǎn)生不同程度的驅(qū)動(dòng)和收縮。”

△墨水通過錐形（頂部）和雙曲面噴嘴的流動(dòng)模擬

為了研究打印過程中分子的排列情況，研究人員使用了不同形狀的噴嘴——錐形和雙曲面。噴嘴形狀影響墨水的流出方式，進(jìn)而控制分子排列。通過改變擠出速度和噴嘴形狀，他們能夠制造出兩種類型的細(xì)絲：一種是外層排列良好的分子圍繞著排列較差的核心，另一種是整個(gè)排列均勻的細(xì)絲。

他們的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明，噴嘴內(nèi)的流動(dòng)類型和速度分布決定了細(xì)絲類型。雖然有很多因素很重要，但研究人員表明，他們可以將其中大部分因素組合成一個(gè)參數(shù)，稱為韋森伯格數(shù)，以描述不同的打印條件如何排列分子。

戴維森說：“在 3D 打印界，我們大多數(shù)人使用相對較少的市售打印頭。這項(xiàng)研究向我們表明，關(guān)注噴嘴幾何形狀和流動(dòng)的細(xì)節(jié)非常重要，我們可以利用它們來控制材料特性。”

研究團(tuán)隊(duì)與美國能源部布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室廣角 X 射線散射光束線的研究人員合作，在 3D 打印過程中進(jìn)行了詳細(xì)的 X 射線測量。這種方法使他們能夠觀察噴嘴內(nèi)部，以使用不同的噴嘴幾何形狀和流動(dòng)條件可視化 LCE 排列。X 射線測量幫助他們確定了噴嘴內(nèi)任何給定位置的液晶分子的精確排列程度，為與可調(diào)噴嘴設(shè)計(jì)和打印參數(shù)相關(guān)的流動(dòng)誘導(dǎo)排列提供了路線圖。結(jié)果表明，雙曲面噴嘴比傳統(tǒng)噴嘴能產(chǎn)生更好、更均勻的對準(zhǔn)效果。

△最右邊的 Emily Davidson 和 Rodrigo Telles 與前任和現(xiàn)任布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室研究人員一起在 X 射線儀器旁。從左至右：Benjamin Yavitt、Lutz Wiegart、Guillaume Freychet 和 Mikhail Zhernenkov。來源：哈佛大學(xué)。

這項(xiàng)工作為制造具有程序化形狀變形和力學(xué)的 LCE 結(jié)構(gòu)開辟了新的途徑，可用于自適應(yīng)結(jié)構(gòu)和人造肌肉等應(yīng)用。

劉易斯說：“通過廣角 X 射線散射測量，我們能夠‘看’到液晶彈性體，并在打印過程中量化其在微觀尺度上的排列，這首次為它們的加工-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供了基本框架?！?/div>

這項(xiàng)研究的支持者包括美國國家科學(xué)基金會(huì)（通過哈佛材料研究科學(xué)與工程中心）和美國陸軍研究辦公室多學(xué)科大學(xué)研究計(jì)劃。另外的資金來自勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)的響應(yīng)性彈性體結(jié)構(gòu)形狀變化研究與開發(fā)項(xiàng)目。研究人員利用了布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室國家同步加速器光源 II的能源部資源。