據悉，美國加州大學圣地亞哥分校雅各布工程學院機械與航空航天工程系教授蔡勝強領導的研究團隊9月25日在科學進展介紹，他們可以通過控制3D打印液晶彈性體的打印溫度來控制材料的剛度和收縮/致動。而且，它們可以通過加熱改變同一材料不同區域的硬度。
液晶彈性體能夠產生大的可逆驅動力和高的工作密度，在構建新型柔性機器人、可穿戴設備、人工肌肉和仿生系統方面顯示出潛力。液晶彈性體是一種具有有序性、雙折射性和刺激響應性的可變形彈性固體。液晶中的這些特性是由液晶(有序流體)和彈性體(柔軟的、可變形的固體)結合而產生的。1969年，理論物理學家、諾貝爾獎獲得者皮埃爾-吉勒斯·德·根尼斯(Pierre-Gilles De Gennes)首次提到液晶。當時，他考慮的是聚合物網絡是否可以“印記”液晶的順序。在接下來的幾十年里，液晶性一直存在于各種聚合物材料和網絡中。液晶聚合物的彈性變形是主題，因為序列和刺激而提供顯著的刺激響應行為和優異的機械性能。
基于LCE和網格的智能仿生微納結構
最近，已經開發了直接墨水書寫(DIW)技術，以在具有復雜幾何形狀的LCE結構中圖案化液晶單元排列。在LCE的DIW工藝中，由未交聯的液晶低聚物組成的粘性墨水從打印噴嘴中擠出，在擠出過程中產生的剪切應力使液晶單元自發地沿打印路徑排列。通過編程液晶介晶的局部排列，已經產生了具有各種驅動行為的結構。LCE 3D打印技術的進步為設計和創造基于LCE的新型軟性機器人和裝置開辟了一條新的道路。
在之前對3D打印LCE的研究中，LCE細絲在一個結構中可能遵循各種路徑，但它們通常具有相同的屬性，這主要由打印溫度和噴嘴尺寸等打印參數決定。相反，功能梯度材料在生物和工程應用中無處不在。例如，在肌腱植入骨骼的過程中，組織的力學性能和微觀結構會逐漸發生變化，以增強結構的耐久性。已經制造了具有漸變機械性能的結構，以最小化應力集中并實現高柔性和高彈性的組合。Bartlett和其他研究人員建造了一個由燃燒驅動的功能梯度軟機器人，并使用模量梯度來減少機器人腿部的局部變形。梯度髖關節假體已被開發，以提高種植體和骨之間的結合強度。然而， 由于材料的有限選擇和潛在的制造挑戰，很少有關于具有機械性能和功能梯度驅動性能的軟響應結構的報道。
在這項研究中，研究人員報告了一種簡單的DIW印刷方法，在單一結構中印刷功能梯度LCE。通過控制印刷參數，例如印刷溫度、噴嘴尺寸和噴嘴與建筑板之間的距離，可以印刷具有可定制特性的LCE細絲，包括驅動應變、驅動應力和機械剛度。同時，研究人員進一步證明，利用新的打印方法可以制造由功能梯度LCE組成的結構，這使得設計主動變形結構和降低不同材料界面附近的應力集中成為可能。該方法可進一步促進多功能LCE結構的設計和制造。
具有可調熱機械性能的LCE的DIW印刷
不同溫度下印刷的LCE長絲的POM圖像?？潭龋?.5毫米
為了了解如何調整LCE的材料特性，研究人員首先非常仔細地研究了這種材料。他們確定印刷的LCE細絲是由殼和核組成的。外殼在打印后冷卻很快，變得更硬，而內核冷卻更慢，保持更大的延展性。
6瓣3D打印LCE雙層結構
△圖示:用來打印這些結構的墨水中加入了熒光染料RhB。所有的照片都是在365納米的紫外線下拍攝的。(a)每個花瓣由兩層LCE組成。打印路徑不同，但打印參數相同。兩層中的兩條印刷路徑之間的角度為90°。雙層結構浸在90℃的熱水中，花瓣全部扭曲。(b)到(d)兩層花瓣的印刷路徑相同(沿長度方向)。此外，對于底層，LCE印刷有最小的驅動應變。對于花瓣的頂層，驅動應變在(b)中是均勻的，但是在(c)和(d)中具有定制的梯度。當雙層結構浸入90℃的熱水中時，它們的彎曲形式在(b)到(d)中彼此不同。進行有限元模擬計算印刷雙層結構的變形形狀。應力場用不同的顏色表示。漸進印刷策略增加了主動變形結構的設計空間。比例尺，20毫米。圖片來源:加州大學圣地亞哥分校。
研究人員使用兩層具有不同特性的LCE來制作3D打印結構，結果表明這賦予了材料更大的驅動自由度。研究人員用這種材料打印了一種晶格結構，可以用于醫療應用。
因此，研究人員可以確定如何在印刷過程中改變幾個參數，特別是溫度，以調整LCE的機械性能。簡而言之，印刷溫度越高，材料的柔韌性和延展性越高。雖然LCE墨水的制備需要幾天時間，但實際的3D打印可以在1-2小時內完成，這取決于要打印的結構的幾何形狀?；贚CE細絲的特性和印刷參數之間的關系，很容易構建具有逐漸變化的材料特性的結構。
改變3D打印結構的溫度
例如，研究人員在40攝氏度(104華氏度)下打印了一個LCE圓盤，并在熱水中加熱到90攝氏度(194華氏度)，圓盤變形為圓錐形。然而，由不同溫度(例如，40，然后80和120攝氏度)印刷的區域組成的LCE盤在加熱時會變形為完全不同的形狀。
由功能梯度LCE構成的3D打印主動變形結構
最后，作為概念的證明，研究團隊3D打印了他們在3D打印過程中調整過的LCE管，并表明當它在大約94℃(201℉)的高溫下啟動時，它可以比具有均勻特性的普通LCE管粘附在剛性玻璃板上更長的時間。這可能會導致一個更好的機器人手爪的創建。
這種材料的驅動不僅可以在熱水中激活，還可以通過注入熱敏粒子或吸收光線并將其轉化為熱量的粒子(從黑色墨水粉末到石墨烯)來激活LCE。
下一步包括找到一種更準確有效的方法來調整材料性能。研究人員還致力于修改墨水，以便打印的結構可以自我修復，重新編程和回收。