哈佛大學通過3D打印控制液晶彈性體材料，為軟體機器人等應用開辟新途徑

2025年2月6日，南極熊獲悉，來自哈佛大學的研究人員通過3D打印技術控制一類名為液晶彈性體 (LCE) 的合成軟材料的特性，這種材料可以根據熱量改變形狀，類似于肌肉根據神經系統(tǒng)信號收縮和放松的方式。3D 打印這些材料為從軟機器人和假肢到壓縮紡織品等應用開辟了新的途徑。

要控制這種材料的屬性，需要通過 3D 打印機的噴嘴擠壓形成彈性體的墨水，從而改變墨水的內部結構，并在分子尺度上排列剛性結構塊（稱為介晶）。然而，要在這些變形材料中實現特定的、有針對性的排列以及由此產生的屬性，需要進行大量的反復試驗，才能完全優(yōu)化打印條件——直到現在。

在一項新研究中，哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院 (SEAS)、普林斯頓大學、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和布魯克海文國家實驗室的研究人員共同制定了一項計劃，用于打印每次都具有可預測、可控制的排列（從而具有特性）的 LCE。通過在打印過程中使用 X 射線表征方法，研究人員能夠在微觀尺度上量化介晶排列，建立了一個基本框架來指導多尺度快速設計和制造。

通過調整微尺度噴嘴設計、打印速度和溫度，可以誘導所需的分子尺度排列，從而轉化為宏觀尺度上規(guī)定的形狀變形和機械行為。

△紅色由高度排列的分子組成，而黑色由排列較差的分子組成

這項研究以題為“Spatially programmed alignmentand actuation in printed liquid crystal elastomers”的論文發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上，資深作者是哈佛大學應用科學與工程學院 Hansjörg Wyss 生物啟發(fā)工程教授 Jennifer Lewis。Lewis 的實驗室在 3D 打印油墨的分子和納米級設計方面擁有數十年的經驗，可用于開發(fā)新型功能材料。這項研究由前哈佛大學博士后研究員 Emily Davidson 共同領導，她現在是普林斯頓大學的教員，擅長設計、納米級組裝、X 射線表征和軟材料 3D 打印。

△論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2414960122

當液晶部分組成的單個鏈相互對齊時，LCE 會表現出最佳的變形和機械性能。研究人員通過精細噴嘴打印這些液晶鏈，從而驅動流動誘導對齊。

第一作者 Rodrigo Telles （SEAS 研究生、學術合作計劃學者和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的合作者）說道：“當這個項目開始時，我們根本就不太了解如何在基于擠壓的 3D 打印過程中精確控制液晶排列。然而，它們的排列程度會在加熱時產生不同程度的驅動和收縮�！�

△墨水通過錐形（頂部）和雙曲面噴嘴的流動模擬

為了研究打印過程中分子的排列情況，研究人員使用了不同形狀的噴嘴——錐形和雙曲面。噴嘴形狀影響墨水的流出方式，進而控制分子排列。通過改變擠出速度和噴嘴形狀，他們能夠制造出兩種類型的細絲：一種是外層排列良好的分子圍繞著排列較差的核心，另一種是整個排列均勻的細絲。

他們的計算和實驗表明，噴嘴內的流動類型和速度分布決定了細絲類型。雖然有很多因素很重要，但研究人員表明，他們可以將其中大部分因素組合成一個參數，稱為韋森伯格數，以描述不同的打印條件如何排列分子。

戴維森說：“在 3D 打印界，我們大多數人使用相對較少的市售打印頭。這項研究向我們表明，關注噴嘴幾何形狀和流動的細節(jié)非常重要，我們可以利用它們來控制材料特性。”

研究團隊與美國能源部布魯克海文國家實驗室廣角 X 射線散射光束線的研究人員合作，在 3D 打印過程中進行了詳細的 X 射線測量。這種方法使他們能夠觀察噴嘴內部，以使用不同的噴嘴幾何形狀和流動條件可視化 LCE 排列。X 射線測量幫助他們確定了噴嘴內任何給定位置的液晶分子的精確排列程度，為與可調噴嘴設計和打印參數相關的流動誘導排列提供了路線圖。結果表明，雙曲面噴嘴比傳統(tǒng)噴嘴能產生更好、更均勻的對準效果。

△最右邊的 Emily Davidson 和 Rodrigo Telles 與前任和現任布魯克海文國家實驗室研究人員一起在 X 射線儀器旁。從左至右：Benjamin Yavitt、Lutz Wiegart、Guillaume Freychet 和 Mikhail Zhernenkov。來源：哈佛大學。

這項工作為制造具有程序化形狀變形和力學的 LCE 結構開辟了新的途徑，可用于自適應結構和人造肌肉等應用。

劉易斯說：“通過廣角 X 射線散射測量，我們能夠‘看’到液晶彈性體，并在打印過程中量化其在微觀尺度上的排列，這首次為它們的加工-結構-性能關系提供了基本框架�！�

這項研究的支持者包括美國國家科學基金會（通過哈佛材料研究科學與工程中心）和美國陸軍研究辦公室多學科大學研究計劃。另外的資金來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室指導的響應性彈性體結構形狀變化研究與開發(fā)項目。研究人員利用了布魯克海文國家實驗室國家同步加速器光源 II的能源部資源。