维度网讯，美国哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（Harvard's John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences）的研究人员开发出一种3D打印方法，可制造出比头发丝更细的纤维。这些纤维能随温度变化发生弯曲、扭转、膨胀或收缩，相当于可编程的人工肌肉。相关成果发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences），研究来自汉斯约格·维斯仿生工程教授（Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering）詹妮弗·刘易斯（Jennifer Lewis）实验室，博士后研究员穆斯塔法·阿卜杜勒拉赫曼（Mustafa Abdelrahman）为第一作者。
该技术基于刘易斯实验室开发的旋转多材料3D打印平台。平台通过旋转喷嘴同时挤出两种材料：一种是液晶弹性体，属于活性材料，加热时会沿优先分子方向收缩；另一种是惰性软弹性体，无论温度如何都能保持形状。通过精确控制每种材料在纤维横截面上的位置，并在打印过程中旋转喷嘴，研究人员可在纤维形成时直接将螺旋分子排列写入其中，从而将形状变化行为在制造过程中完全预设，无需后处理或手动组装。
“我看到了这个非常漂亮的旋转3D打印平台，心想：如果我们加入活性材料并将其图案化到纤维中，能否以此驱动形状变化？”阿卜杜勒拉赫曼说。
该技术的潜力在团队将单独的编程纤维用作更复杂架构的构建模块时得到展现。正弦波状或波浪状纤维在视觉上相同，但根据活性材料的位置表现出相反行为：当弹性体位于波外侧时，纤维伸直并膨胀；当位于内侧时，纤维收紧并收缩。
基于这些单元，研究人员组装出能随热开闭的平面晶格，功能类似于主动过滤器：受热时允许颗粒通过，冷却时捕获颗粒。该晶格还可用作拾放抓手，同时举起多根棒材并按需释放。具有交替膨胀和收缩区域的晶格在加热时变为穹顶状结构，与计算机预测的模拟高度吻合。验证和建模是与自然结构力学专家L·马哈德万教授（L. Mahadevan）合作完成，分子排列则与乔安娜·艾森伯格教授（Joanna Aizenberg）实验室合作，在布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）使用X射线散射进行表征。
该团队已打印出直径小至100微米的纤维，并认为还有更小的空间。“在可扩展性方面，未来可以制造更复杂的喷嘴，集成其他材料，例如加入液态金属通道以实现驱动，或集成其他功能，”研究生兼合著者杰克逊·威尔特（Jackson Wilt）说。
团队设想的应用包括可重构软抓手、可调过滤器和阀门，以及可注射的纤维，后者在体内锁定形成多孔、促进凝块的结构，用于生物医学领域。正如刘易斯所说：“这种纤维设计和打印框架可以加速人工肌肉类材料从实验室向现实技术的过渡。”
哈佛团队也指出了当前系统的边界。小型化是直接约束之一：喷嘴分辨率受限于用于制造定制共挤头的DLP树脂打印机，这限制了特征尺寸约为50微米。将喷嘴直径从1毫米减小到0.5毫米成功将纤维直径从600微米降至300微米，但代价是更小尺度下需要更低的打印速度，这降低了液晶弹性体的剪切诱导分子排列。由于分子排列是驱动之源，小型化与性能之间存在直接权衡。
温度依赖性是另一个实际约束。所有驱动都依赖于将样品加热到液晶弹性体的向列-各向同性转变温度以上，在当前墨配比中，该阈值远高于环境条件。演示将晶格浸入加热的硅油浴中进行，这种设置与软机器人和生物医学应用所需的无系留、身体集成或环境条件环境有较大差距。
该研究的贡献作者包括郑延秀（Yeonsu Jung）、罗德里戈·特列斯（Rodrigo Telles）、古尔明德·K·佩因克（Gurminder K. Paink）和娜塔莉·M·拉尔森（Natalie M. Larson）。资金由美国国家科学基金会（National Science Foundation）通过哈佛材料研究科学与工程中心以及陆军研究办公室多学科大学研究计划提供。实验工作在哈佛纳米尺度研究中心和布鲁克海文国家实验室同步辐射光源进行，分别由NSF和能源部支持。哈佛技术转让办公室已着手为这一基础创新申请知识产权保护，并正在探索将其推向市场的途径。
刘易斯实验室的这一最新成果是哈佛大学可编程软材料研究轨迹的一部分。该小组早前的一项研究由杰克逊·威尔特和前任博士后娜塔莉·拉尔森（Natalie Larson）领导，使用相同的旋转多材料3D打印平台制造了具有嵌入式驱动路径的软机器人结构，指向手术机器人和人类辅助技术的应用。刘易斯和普林斯顿大学教员艾米丽·戴维森（Emily Davidson）完善了基于挤出的3D打印过程中液晶取向的科学，将该过程从实验艺术转变为更精确、可测量的学科，为基于液晶弹性体材料的大规模可靠制造奠定了基础。液晶弹性体现在正引起软机器人、能量阻尼和生物医学工程领域的重视。在打印时预编程纤维的形状变化能力，消除了将实验室成果转化为可用设备的关键障碍。
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