《Nature》:哈佛大学开发了一种用于制造螺旋丝的旋转多材料3D打印方法

导读：螺旋结构在自然界中无处不在，这种结果可以具有独特的机械性能和多功能性。到目前为止，螺旋结构的合成已经通过单独长丝的缠绕、扭转和编织、微流体、打印等方法制造出来。然而，这些制造方法无法同时从众多的材料中创建多材料的螺旋结构长丝。

2023年1月19日，南极熊获悉，来自哈佛大学的研究人员开发了一种用于制造螺旋丝的旋转多材料 3D 打印方法。使用这种新方法，该团队设计并制造了人造肌肉和弹性网状结构，可以用于软机器等应用种。他们的研究已经发表在了《Nature》上，题目为《Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control》（《具有亚体素控制的旋转式多材料打印长丝》）。

△将墨水通过一个复杂的喷嘴输送，该喷嘴允许同时打印多种材料。当喷嘴旋转和平移时，挤出的墨水形成具有嵌入螺旋特征的细丝。研究成果
●研究人员设计了一个旋转多材料3D打印（RM-3DP）平台，该平台能够对长丝的局部方向进行亚体素控制。

●通过连续旋转多材料喷嘴，控制角速度与平移速度之比，能够制造螺旋状的长丝，其螺旋角、层厚度和几个材料之间的界面面积都是可设置的。

●利用这种综合方法，研究人员制造了由螺旋状电介质弹性体致动器组成的功能性人工肌肉，该致动器具有高保真和可单独寻址的导电螺旋通道，嵌入在电介质弹性体矩阵中。

●同时，研究者还制造了分层网状结构，包括在顺应性基质中含有刚性弹簧的结构化螺旋支杆。总而言之，这种增材制造平台为开发多功能结构物质开辟了新途径。


△打印头由四个墨盒组成，每个墨盒可以包含不同的材料。

螺旋形电介质弹性体执行器
研究人员设计并打印了螺旋式电介质弹性体致动器（HDEA）长丝，该长丝具有离散的、可单独处理的螺旋式导电通道，具有高螺旋角、薄层和高多材料界面面积，能够嵌入电介质弹性体基体中。HDEA长丝包括由夹在两个软电极之间的软质电介质弹性体膜组成的基本驱动单元。



有弹性的丝状物和网状物
为了生成结构性复合材料，研究人员打印了结构化的 "弹性 "长丝和由硬性和软性亚体素组成的三维网状结构。 弹性长丝是通过从一个扇形核心喷嘴共挤两种粘弹性油墨来制造的，将坚硬的丙烯酸弹簧（蓝色扇形特征）嵌入到柔软的丙烯酸基质（透明扇形核心特征）中。



总结
研究人员开发了一种旋转式多材料3D打印方法，能够对多材料功能和结构丝的方位异质特征的局部方向进行可编程的亚体素控制，可以在一维、二维和三维图案中进行设计。 通过进一步调整喷嘴的内部特征，这些结构的分辨率、复杂性和性能可以从亚体素尺度到宏观尺度得到进一步提高。