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哈佛大学研发出可像人工肌肉一样变形的3D打印丝状材料

哈佛大学研发出可像人工肌肉一样变形的3D打印丝状材料
哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院的研究人员展示了一种3D打印工艺,可使柔软的丝状材料对热量产生特定反应。这些发丝状结构能够弯曲、扭转、膨胀或收缩,从而在功能上模拟生物肌肉纤维。该研究成果发表于《美国国家科学院院刊》。

Jennifer Lewis 及其团队采用了旋转多材料3D打印技术。在这一工艺中,多种材料通过一个旋转喷嘴挤出,从而可以精确调控其在丝状材料横截面中的位置。研究人员打印了活性液晶弹性体与被动柔性弹性体的组合材料。当温度超过某一转变温度时,活性材料会沿其分子取向方向收缩,而被动材料则基本保持原有形状,从力学上限制其运动。

第一作者 Mustafa Abdelrahman 表示:“我看到这个非常棒的(旋转3D打印平台),就在想:如果我们把活性材料放入并在丝状材料内部进行结构化设计,能否以此触发形状变化?”

喷嘴的旋转在此过程中至关重要。它在打印过程中为丝状材料刻入螺旋状排列。因此,弯曲和扭转并非通过后续组装或机械加工产生,而是直接在打印过程中编程设定。Abdelrahman 解释说,他看到该平台后便思考,能否将活性材料以某种方式布置在丝状材料内部,从而实现有针对性的形状变化。

合著者、博士生 Jackson Wilt 表示:“从可扩展性角度来看,未来可以开发更复杂的喷嘴,并与其他材料集成——例如加入液态金属通道以实现驱动或整合其他功能。”

研究人员利用这些丝状材料构建了更为复杂的晶格结构。根据活性弹性体位于波浪形结构的内侧还是外侧,该构件在加热时会出现拉伸或缩短。他们展示了温控过滤器、用于拾取与放置任务的夹持器,以及可变形为穹顶状结构的网格等应用。

Lewis 表示:“这种丝状材料设计与打印框架,有望加速人工肌肉类材料从实验室走向现实技术的转化。”

可以设想其在软体机器人夹持器、可调节阀门,或孔隙率可发生定向变化的生物医学结构等领域的应用。

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