3D打印液态金属聚合物复合材料用于近红外光响应的4D打印软机器人

来源： 高分子科技

4D 打印作为3D打印的延伸技术，通过整合第四个维度时间以实现3D打印的物体在环境刺激下将自身转变为另一种结构和形状。这种先进的4D打印技术彻底改变了材料设计和制造，特别是软机器人领域。然而，传统的 3D 打印聚合物通常缺乏对环境刺激的响应能力，限制了软机器人在不同环境和场景下的交互和适应性。由于其优异的物理特性，如导电性、光热性、磁性等，将刚性纳米粒子集成到软机器人中似乎为提高软机器人的刺激响应能力提供了一种实用的解决方案。然而，刚性纳米粒子掺杂的软机器人面临着一些障碍，包括降低了软机器人的灵活性，不可避免地增加了材料的机械硬度，进而限制了它们的形状恢复和变形能力。

基于镓的液态金属在室温下保持液态，具有可变形性、低熔点和自修复能力。值得注意的是，它们卓越的光热效应能够对近红外光照射做出反应，从而扩展了它们的功能潜力。受此启发，研究重点是探索液态金属纳米颗粒在 3D 打印和 4D 打印软机器人中的应用潜力。

近日，昆士兰大学乔瑞瑞和Thomas P. Davis教授团队的张力文博士在Nature Communications发表了题为“3D-printed liquid metal polymer composites as NIR-responsive 4D printing soft robot”的研究论文。在这项工作中，该研究团队对液态金属纳米颗粒用于增材制造以及4D打印进行了深入的探讨，并将阐述了其应用于软机器人的潜力。首先，该研究团队首先就液态金属纳米颗粒的制备进行了研究，研究表明通过整合RAFT链转移试剂可以制备单分散地稳定液态金属纳米颗粒。其中，液态金属纳米颗粒表现出优异的分散性与稳定性，保证了3D打印过程中的均匀分散。这种均匀性不仅不影响3D打印效率，而且提高了3D打印复合材料的分辨率。出乎意料但又情理之中的是，3D打印物体受到液态金属的柔软特性的影响，其机械性能被进一步降低（包括玻璃化转变温度、储能模量、拉伸应力和杨氏模量），从而使其更适用于软机器人的应用。此外，该研究团队进一步拓宽该制备方法的普适性，实现了简易高效地液态金属纳米颗粒掺杂的3D打印树脂制备。随后，该工作进一步阐述了液态金属纳米粒子在4D打印软体机器人中的应用潜力。软机器人技术作为一个不断发展的领域，它通过模仿自然界中存在的软体的运动机制来实现平滑和复杂的运动以满足日益复杂的应用需求。基于3D打印技术的软体机器人开发一直困扰着科学家们，尤其是在赋能3D打印材料方面。液态金属纳米颗粒的光热效应使得3D打印复合材料在近红外光刺激下可以使其温度提高到80°C，使其材料温度高于其玻璃化转变温度从而展示了其形状记忆能力。这些复合材料在光触发下 4D 打印中表现出显着的效率，在近红外光（lmax = 808 nm, 0.3 W/cm2）照射后 60 秒内迅速且完全恢复预编程形状。最后，对于3D打印的液态金属聚合物复合材料作为近红外响应的软机器人的应用潜力进行了进一步评价。液态金属聚合物复合材料不仅表现出单纯的抓取和释放物品的能力，而且表现出控制旋转双稳态结构的额外能力。

因此，该工作成功开发了一种将液态金属纳米颗粒集成到 3D 打印树脂中的多功能方法，从而制造出具有降低机械强度、出色光热性能和形状记忆能力的高分辨率液态金属聚合物复合材料。它展示了卓越的可重复性、强大的举重和先进的软体机器人功能，预示着机器人、医疗工具和执行器的巨大潜力。

图1. 液态金属纳米粒子在增材制造中的革命。 (a) 通过超声波在乙醇溶液中制备 RAFT链转移试剂辅助的液态金属纳米颗粒；(b)以二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦为光引发剂、丙烯酸叔丁酯为单体、聚乙二醇二丙烯酸酯为交联剂的3D打印物体的制造过程。d、t、l和w分别表示液态金属聚合物复合材料的直径、厚度、长度和宽度；(c) 使用立体光刻 3D 打印技术制造了一个类似悉尼歌剧院的模型；(d) 液态金属聚合物复合材料的机械性能。

图 2.液态金属纳米颗粒在 4D 打印软体机器人中的应用。(a) 图表和 (b) 通过近红外光响应软机器人释放物体的演示；(c) 图表和 (d) 通过使用近红外光控制软机器人抓取和释放物体的演示；(e) 图表和 (f) 演示旋转结构（状态 B）在近红外刺激后转变为原始形状（状态 A）。

昆士兰大学张力文博士后为论文第一作者，英国南安普顿大学唐诗杨副教授，昆士兰大学Thomas P. Davis教授以及乔瑞瑞高级研究员为共同通讯作者。


文章链接
Liwen Zhang, Xumin Huang, Tim Cole, Hongda Lu, Jiangyu Hang, Weihua Li, Shi-Yang Tang*, Cyrille Boyer, Thomas P. Davis* & Ruirui Qiao*. 3D-printed liquid metal polymer composites as NIR-responsive 4D printing soft robot. Nat Commun 14, 7815 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41467-023-43667-4