EPFL 研究人员 3D 打印无机械关节的柔性设备，目标是下一代软执行器和机器人

2024年4月22日，南极熊获悉，来自EPFL的研究人员计划使用基于弹性体的墨水来开发新一代软执行器和机器人，用于3D打印具有局部改变机械性能的物体，从而消除对复杂机械接头的需要。

对于从事软机器人或可穿戴设备工作的工程师来说，推进设备轻量化是一个持续的挑战：较重的材料需要更多的能量来移动，并且对于可穿戴设备或假肢来说会引起不适。弹性体是合成聚合物，可以制造出具有从刚性到弹性的一系列机械性能的材料，这使得它们成为此类应用的流行材料。但迄今为止，制造可成型为从刚性到橡胶的复杂 3D 结构的弹性体仍然不可行。

EPFL 工程学院软材料实验室负责人Esther Amstad 说道：“弹性体通常是铸造的，因此它们的成分在短长度范围内的所有三个维度上都不会改变。为了克服这个问题，我们开发了 DNGE：可 3D 打印的双网络颗粒弹性体，可以将其机械性能改变到前所未有的程度。”

资料来源：洛桑联邦理工学院

阿姆斯塔实验室的博士生伊娃·鲍尔 (Eva Baur) 使用 DNGE 打印了一个原型“手指”——刚性的“骨头”被灵活的“肉”包围。手指被打印成以预先定义的方式变形——展示了该技术在制造足够柔软以弯曲和伸展的设备上的潜力，同时保持足够坚固以操纵物体。

凭借这些优势，研究人员相信 DNGE 可以促进软执行器、传感器和可穿戴设备的设计，而无需笨重的机械接头。该研究以题为“3D Printing of Double Network Granular Elastomers with LocallyVarying Mechanical Properties”的论文被发表在《先进材料》杂志上。

相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313189

多功能性两倍

DNGE 多功能性的关键在于设计两个弹性体网络。首先，弹性体微粒由水包油乳液滴产生。这些微粒被放置在前体溶液中，它们吸收弹性体化合物并膨胀。然后，溶胀的微粒被用来制造 3D 打印墨水，将其加载到生物打印机中以创建所需的结构。前驱体在 3D 打印结构内聚合，形成第二个弹性体网络，使整个物体变得坚硬。

资料来源：洛桑联邦理工学院

第一个网络的组成决定了结构的刚度，而第二个网络则决定了其断裂韧性，这意味着两个网络可以独立进行微调，以实现刚度、韧性和抗疲劳性的组合。与水凝胶（最先进的方法中使用的材料）相比，使用弹性体具有创建无水结构的额外优势，使其随着时间的推移更加稳定。 DNGE 也可以使用市售 3D 打印机进行打印。

阿姆斯塔德说：“我们方法的优点在于，任何拥有标准生物打印机的人都可以使用它。”

DNGE 的一个令人兴奋的潜在应用是用于运动引导康复设备，其中支持一个方向的运动同时限制另一个方向的运动的能力可能非常有用。 DNGE 技术的进一步发展可能会产生假肢，甚至是辅助外科医生的运动指南。传感远程运动，例如机器人辅助农作物收割或水下探索，是另一个应用领域。

Amstad 表示，软材料实验室已经在致力于通过将响应材料和电气连接等活性元素集成到 DNGE 结构中来开发此类应用。