3D 打印研发可自主伸缩新型材料

韩美联合科研团队在 3D 打印领域取得重大突破，研发出一款可编程形变打印材料，受热后可实现拉伸或收缩，有望彻底革新软体机器人、可穿戴设备与微创医疗手术器械领域。

该研究由釜山国立大学安硕均教授牵头，联合美国橡树岭国家实验室共同完成，人类首次研发出可在打印过程中切换分子取向的 3D 打印墨水，相关成果已刊发于《自然・通讯》期刊。

攻克传统 3D 打印核心局限

以往常规 3D 打印工艺存在固有短板：打印耗材丝内部分子仅能沿单一方向排列，成品材料受外界刺激后仅能实现单一形变，极大限制了形变材料的实际应用场景。

安硕均教授表示：“我们首次实现仅依靠单一近晶型液晶弹性体 3D 打印墨水，通过调节打印速度与温度，让分子在两个正交方向间切换取向。”

该技术采用近晶型液晶弹性体（LCE）专用打印墨水，打印过程中可精准调控分子结构。科研团队通过改变打印速度、成型温度，就能让同一根耗材丝内的分子切换为两种垂直排布方式，从而决定材料受热时收缩或是伸长。

技术实现原理

研究人员融合直写成型、流变测试、广角 X 射线衍射、分子动力学模拟多项先进技术，完整解析并可控调控分子取向切换机理。

实验室验证阶段，团队成功打印出二维、三维可编程形变结构，包含点阵构件、曲面件、可切换表面纹理等样品。多次冷热循环测试后，材料性能依旧稳定，具备商业化应用所需耐久度。

多行业广阔应用前景

研究团队表示，该技术适配全产业链，将彻底变革自适应设备的设计思路。

1. 机器人领域：可制造运动更复杂、动作更自然的软体驱动器与人工肌肉；
2. 消费电子：用于触觉显示屏可重构表面，以及能够调节空气阻力的自适应纹理车身、飞行器外壳；
3. 医疗行业：研发微创手术器械，器械进入人体后可自主变形，降低手术创伤、提升治疗效果；同时赋能功能更丰富的智能穿戴设备，可根据活动场景、使用者需求自适应形变。

安硕均总结：“该技术可用于软体机器人驱动件、人工肌肉、触觉显示可重构表层，以及可调节气动阻力的自适应纹理构件。”

发展规划

本次成果属于实验室阶段性突破，目前仅使用单一配方材料完成验证。后续还需拓展适配更多材质，并完成规模化量产工艺开发。

但安硕对落地节奏持乐观态度：“未来 5 至 10 年，3D 打印制品将不再局限固定外形，能够自主形变、完成指定作业。”

研究人员指出，单一部件内同时实现收缩、拉伸双模式可编程形变，能大幅简化未来软体设备结构设计，拓展 4D 打印技术边界（4D 打印指可随外界刺激自主形变的增材制造产品）。

该打印方案为下一代软体驱动器、可编程形变材料搭建通用研发平台，有望在智能制造、医疗设备领域开启自适应智能设备新时代。