螺旋結(jié)構(gòu)在自然界中無(wú)處不在，螺旋結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的機(jī)械性能和多功能性。到目前為止，模擬這些自然系統(tǒng)的合成結(jié)構(gòu)是通過(guò)纏繞、扭曲和編織等方式實(shí)現(xiàn)的。 然而，這些制造方法無(wú)法同時(shí)在來(lái)自廣泛材料的任意二維(2D) 和三維 (3D) 圖案中創(chuàng)建具有亞體素控制的多材料、螺旋結(jié)構(gòu)的細(xì)絲。哈佛大學(xué)Lewis團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)旋轉(zhuǎn)多材料3D打印（RM-3DP）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)異質(zhì)螺旋亞三維結(jié)構(gòu)，該技術(shù)能夠?qū)Ψ轿划愘|(zhì)結(jié)構(gòu)細(xì)絲的局部方向進(jìn)行亞體素控制。 該研究技術(shù)以題為“Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control”的文章發(fā)表于Nature上。本期將分享以上相關(guān)研究論文的主要內(nèi)容。

相關(guān)研究發(fā)表在Nature上。

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05490-7

 研究亮點(diǎn)

       根據(jù)論文，哈佛大學(xué)Lewis團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的RM-3DP技術(shù)主要具備兩個(gè)特性：(1)具有非均勻亞體素控制特征的多材料噴嘴，(2) 允許多個(gè)壓力控制噴嘴自由旋轉(zhuǎn)打印頭設(shè)計(jì)。這種噴嘴具有“殼-扇芯”幾何結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)扇芯元件產(chǎn)生異構(gòu)結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種具有特殊內(nèi)部特征的噴嘴，使得RM-3DP這種3D打印技術(shù)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性更高和功能性更強(qiáng)的特殊結(jié)構(gòu)。

RM-3DP技術(shù)可以直接從外殼-風(fēng)扇芯噴嘴共同擠壓兩種粘彈性墨水，同時(shí)形成介電外殼和螺旋幾何形狀的導(dǎo)電三維結(jié)構(gòu)組件。介電彈性體組件由柔軟的丙烯酸聚合物組成，導(dǎo)電油墨則為含有炭黑顆粒的聚合物。在施加的電壓下，3D打印的導(dǎo)電三維結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)軸向驅(qū)動(dòng)和扭轉(zhuǎn)。根據(jù)制備時(shí)所采用的角速度不同，其表現(xiàn)出的電驅(qū)動(dòng)行為也不同，例如當(dāng)螺旋角降至45°以下時(shí)，預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生從可收縮應(yīng)變到可拉伸應(yīng)變的轉(zhuǎn)變。

旋轉(zhuǎn)多材料3D打印
© Nature

通過(guò)以角平移速度的受控比率連續(xù)旋轉(zhuǎn)多材料噴嘴，哈佛大學(xué)Lewis團(tuán)隊(duì)在幾種材料之間創(chuàng)建了具有可編程螺旋角、層厚度和界面面積的螺旋擠出噴嘴。

旋轉(zhuǎn)多材料3D打印
© Nature

使用這種集成方法，哈佛大學(xué)Lewis團(tuán)隊(duì)制造了由具有高保真度的螺旋介電彈性體致動(dòng)器和嵌入介電彈性體基質(zhì)中的可單獨(dú)尋址的導(dǎo)電螺旋通道組成的功能性人造肌肉。 哈佛團(tuán)隊(duì)還制造了分層晶格結(jié)構(gòu)，包括結(jié)構(gòu)化的螺旋支柱，包含剛性彈簧的柔性矩陣結(jié)構(gòu)。

旋轉(zhuǎn)多材料3D打印
© Nature

RM-3DP增材制造技術(shù)為在仿生結(jié)構(gòu)中生成多功能材料開(kāi)辟了新途徑。利用RM-3DP技術(shù)還可以生成結(jié)構(gòu)不同復(fù)合材料，通過(guò)這一技術(shù)可以將堅(jiān)硬的丙烯酸彈簧嵌入柔軟的丙烯酸基體中，通過(guò)3D打印由剛性和柔軟組成的亞三維晶格結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)紫外線固化可減少材料接觸時(shí)之間的相互擴(kuò)散。

旋轉(zhuǎn)多材料3D打印
© Nature

   通過(guò)調(diào)控3D打印過(guò)程的角速度，可以制造出具有不同力學(xué)性能的細(xì)絲。通過(guò)RM-3DP增材制造技術(shù)，可以設(shè)計(jì)每一個(gè)晶格框架的力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)差異化和結(jié)構(gòu)化打印。

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