加州大学圣地亚哥分校的开发了3D打印软机器人的新方法

 中国3D打印网9月30日讯，来自圣地亚哥圣地亚哥分校的一组研究人员开发了一种3D打印液晶弹性体（LCE）的新方法，该方法只需更改打印参数即可实现功能渐变的特性。潜在的应用是作为软机器人和人造肌肉的驱动材料，可以在打印过程中和打印后通过加热严密控制LCE的刚度和收缩能力。该研究的第一作者Zizi Wang解释说：“ 3D打印是制作许多不同事物的绝佳工具-在这种情况下，我们可以打印可以在所需刺激下按需收缩和变硬的结构。”

 正在启动3D打印的LCE花瓣结构。图片来自加州大学圣地亚哥分校。
  液晶弹性体如何工作？
       LCE能够高度可逆地致动，同时产生较大的工作密度。从理论上讲，这使其非常适合新颖的软机器人和可穿戴设备，但是先前尝试对具有渐变或变化特性的材料进行3D打印的尝试非常困难。例如，您可能希望机器人的关节更灵活，但承重梁要更硬一些。
         仔细观察一下，LCE的驱动作用取决于其液晶元（构成液晶的基本单位）的方向变化。尝试重新排列介晶时，以前已经采用了许多方法，包括机械拉伸和磁场-每种方法都有其独特的局限性。
         就目前而言，最有效的印刷LCE结构的方法是直接墨水书写技术，通过这种技术可以将受控体积的液体墨水从微喷嘴中分配出来，并在UV光下固化。先前已经观察到，由于挤出引起的剪切应力，液晶元自发地沿着印刷路径排列。圣地亚哥大学的研究人员采用这种直接的墨水书写技术并将其运行起来，对过程进行了自己的尝试，并尝试了印刷温度的变化。

  LCE挤压工艺。图片来自加州大学圣地亚哥分校。
  3D打印功能分级的LCE结构
         通过首先检查材料的特性，团队可以确定挤出的LCE具有核-壳结构。外壳位于外侧，冷却速度更快，变得更硬，将排列良好的介晶悬浮在高粘度基质中。另一方面，核心保持加热的时间更长并保持可延展性，这意味着其介晶相对自由地返回其混乱的，未排列的状态。
        为了测试热量和刚度之间看似基本的关系，研究人员打印了许多具有不同温度分布的几何形状。首先在40°C上打印磁盘，然后在水浴中加热到90°C，使其变形为更圆锥的形状。但是，当同一张光盘在不断变化的温度（间隔40°C，80°C，然后是120°C）下打印时，放置在水浴中后会变成完全不同的形状。当打印管状结构时，观察到相同的动力学。当在调节温度下打印时，LCE管在启动时可能会比在恒定温度下打印的玻璃管粘附更长的时间。有了这个，团队基本上生产了非常基本的机器人抓手。下一步研究涉及开发可重新编程甚至可循环再利用的新型墨水。

  由功能梯度LCE组成的有源晶格结构。图片来自加州大学圣地亚哥分校。

         中国3D打印网点评：软机器人领域是一个经过深入研究的领域，每年都有新的发展。来自瑞典林雪平大学的一组研究人员最近使用定制的基于挤压的3D打印机开发了一套适用于软微型机器人的微型致动器。致动器包含电活性聚合物，该电活性聚合物可以在存在电荷的情况下改变其几何形状，从而赋予致动器4D功能。

         在亚洲其他地方，研究人员最近3D打印了柔软的机器人手指。该设备由嵌入式单电极摩擦电曲率传感器（S-TECS）供电，可在超低工作频率下感应弯曲曲率，而无需任何外部电源。