维度网讯，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University）的研究人员开发出一种3D打印技术，可生产在加热或冷却时弯曲、扭转、膨胀或收缩的柔性丝线。

该方法允许在同一结构内排列主动和被动材料，使部分运动在制造阶段就已确定。该研究发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上，描述了一种名为多材料旋转3D打印的策略。该工艺使用一个在沉积不同材料时旋转的打印头，从而控制类似纤维的丝线的内部成分。据作者称，这种结构会影响每个部件对热刺激的响应方式。该方案基于在生物体中观察到的柔性结构——研究人员引用了蛋白质、植物卷须、章鱼触手和大象鼻子等例子，它们可根据内部组织和生物学功能弯曲、卷曲或呈现不同形状。

传统机器人使用电动机、气动系统、液压元件和机械关节来执行任务，这些能力广泛应用于工业领域，但并非总能提供操纵易碎物体或在非标准化环境中运行所需的灵活性。软体机器人学作为替代途径，研究能够改变形状、分布力并适应不规则表面接触的材料，应用包括柔性抓手、医疗设备、过滤系统、可重构结构及需要与不同尺寸物体交互的机器人组件。为机器人开发人造肌肉的想法已研究多年，该领域包括气动方案、形状记忆合金、电驱动聚合物、磁性材料以及类似肌腱功能的线缆系统。每种方法各有侧重，但存在技术限制——如气动系统依赖压缩机与软管，部分聚合物需高电压，一些材料响应慢或制造受限。

在哈佛大学的研究中，研究人员结合了两种弹性体：主动材料为液晶弹性体（LCE），在特定温度变化下沿优先方向收缩；被动材料则抵抗变形。两种材料并排打印时，物理响应的差异产生运动：主动部分收缩，被动部分保持更大稳定性，使丝线根据打印期间定义的内部分布弯曲、扭转、卷曲或移动。工艺中使用的旋转打印头增加了第二个控制变量，将液晶弹性体的分子排列导向螺旋图案，使研究人员能够改变结构不同点的弯曲和扭转方向及强度——这一特性将本技术与仅基于部件外部形状的方法区分开来。据作者称，运动的编程发生在丝线本身中，无需在打印后添加齿轮、刚性铰链或机构。

团队测试了波浪形丝线和由重复小单元组成的平面网络，视觉上相似的结构在加热时表现出不同行为——有些收缩，另一些则膨胀，取决于每根丝线中主动材料的位置。研究人员还生产了能够从平面形状转变为三维配置的网络，例如类似圆顶的结构。另一项演示展示了主动过滤器，其孔隙开口随温度变化：加热时允许颗粒通过，冷却时减小开口。研究还描述了采用相同逻辑制造的软抓手，被设计为下降至物体上方、在其周围闭合、提起物品然后释放。根据哈佛大学的公告，该演示表明在机器人操控方面的可能用途，特别是在需要结合变形和接触各种表面的系统中。这些结果仍处于实验阶段，无迹象表明该技术已准备好取代用于高功率应用的电动机、工业执行器或机器人系统。

需要注意的是，“肌肉”一词在此应被理解为功能性类比，而非与人体组织等同。生物肌肉涉及纤维、神经信号、血液供应、细胞代谢及由神经系统协调的控制；而打印丝线的运动是通过合成材料对温度变化的响应产生的，虽然展现出收缩、扭转和弯曲能力，但物理机制与生物肌肉不同。热驱动是实验本身性质指出的主要限制之一——运动依赖于加热和冷却，在实验室外应用前需考虑响应时间、能耗和温度控制等因素。另一个问题是使用规模，演示表明多材料旋转3D打印可生产具有可编程运动的丝线和网络，但未确定商业应用时间表。作者指出了在自适应机器人抓手、主动过滤器、生物医学设备、可重构阀门和按需变形结构中的可能应用，这些仍是研究途径而非现成产品，需进行耐久性测试、循环重复、安全性与控制系统的兼容性验证等后续工作。

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