螺旋結(jié)構(gòu)在自然界中無處不在，具有獨(dú)特的機(jī)械性能和多功能性。到目前為止，已經(jīng)可以通過纏繞、扭曲和編織單個(gè)細(xì)絲模擬這些自然系統(tǒng)的合成結(jié)構(gòu)。然而，這些制造方法無法同時(shí)在來自廣泛材料的任意二維 (2D) 和三維 (3D) 圖案中創(chuàng)建和圖案化具有亞體素控制的多材料、螺旋結(jié)構(gòu)的細(xì)絲。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的研究人員開發(fā)了一種用于制造螺旋絲的旋轉(zhuǎn)多材料3D打印方法。使用這種新方法，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了人造肌肉和彈性格子，用于軟機(jī)器人和結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

該研究發(fā)表在《自然》最新一期雜志上。

研究人員開發(fā)了一個(gè)旋轉(zhuǎn)多材料3D打印 (RM-3DP) 平臺，該平臺能夠?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。通過以角平移速度的受控比率連續(xù)旋轉(zhuǎn)多材料噴嘴，在給定圓柱體素內(nèi)的幾種材料之間創(chuàng)建了具有可編程螺旋角、層厚度和界面面積的螺旋燈絲。

使用這種集成方法，研究人員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。這些細(xì)絲可以在施加的電壓下收縮。導(dǎo)電電極形成纏繞在軟彈性體基質(zhì)中的螺旋，通過調(diào)整這些螺旋電極盤繞的緊密程度，可以對這些致動(dòng)器的收縮響應(yīng)進(jìn)行編程。

“我們的增材制造平臺為在仿生圖案中生成多功能建筑材料開辟了新途徑，” SEAS的Hansjorg Wyss仿生工程教授、該研究的資深作者Jennifer Lewis說。

新打印頭由四個(gè)墨盒組成，每個(gè)墨盒可以包含不同的材料。然后將墨水通過一個(gè)復(fù)雜的噴嘴輸送，該噴嘴允許同時(shí)打印多種材料。當(dāng)噴嘴旋轉(zhuǎn)和平移時(shí)，擠出的墨水形成具有嵌入螺旋特征的細(xì)絲。

該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了具有不同剛度的結(jié)構(gòu)晶格，方法是將堅(jiān)硬的螺旋彈簧嵌入柔軟、柔順的矩陣中——就像軟床墊中的金屬彈簧一樣。材料的整體剛度可以通過調(diào)整矩陣內(nèi)彈簧的松緊度來調(diào)整。這些可調(diào)螺旋結(jié)構(gòu)可用于制造軟機(jī)器人系統(tǒng)中的關(guān)節(jié)或鉸鏈。

接下來，該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是利用這種新穎的3D打印方法來創(chuàng)建更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)?！巴ㄟ^設(shè)計(jì)和制造具有更極端內(nèi)部特征的噴嘴，可以進(jìn)一步提高這些分層仿生結(jié)構(gòu)的分辨率、復(fù)雜性和性能，”SEAS博士后研究員、該研究的第一作者Natalie Larson說。

螺旋結(jié)構(gòu)在自然界中無處不在，具有獨(dú)特的機(jī)械性能和多功能性。到目前為止，已經(jīng)可以通過纏繞、扭曲和編織單個(gè)細(xì)絲模擬這些自然系統(tǒng)的合成結(jié)構(gòu)。然而，這些制造方法無法同時(shí)在來自廣泛材料的任意二維 (2D) 和三維 (3D) 圖案中創(chuàng)建和圖案化具有亞體素控制的多材料、螺旋結(jié)構(gòu)的細(xì)絲。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的研究人員開發(fā)了一種用于制造螺旋絲的旋轉(zhuǎn)多材料3D打印方法。使用這種新方法，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了人造肌肉和彈性格子，用于軟機(jī)器人和結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

該研究發(fā)表在《自然》最新一期雜志上。

研究人員開發(fā)了一個(gè)旋轉(zhuǎn)多材料3D打印 (RM-3DP) 平臺，該平臺能夠?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。通過以角平移速度的受控比率連續(xù)旋轉(zhuǎn)多材料噴嘴，在給定圓柱體素內(nèi)的幾種材料之間創(chuàng)建了具有可編程螺旋角、層厚度和界面面積的螺旋燈絲。

使用這種集成方法，研究人員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。這些細(xì)絲可以在施加的電壓下收縮。導(dǎo)電電極形成纏繞在軟彈性體基質(zhì)中的螺旋，通過調(diào)整這些螺旋電極盤繞的緊密程度，可以對這些致動(dòng)器的收縮響應(yīng)進(jìn)行編程。

“我們的增材制造平臺為在仿生圖案中生成多功能建筑材料開辟了新途徑，” SEAS的Hansjorg Wyss仿生工程教授、該研究的資深作者Jennifer Lewis說。

新打印頭由四個(gè)墨盒組成，每個(gè)墨盒可以包含不同的材料。然后將墨水通過一個(gè)復(fù)雜的噴嘴輸送，該噴嘴允許同時(shí)打印多種材料。當(dāng)噴嘴旋轉(zhuǎn)和平移時(shí)，擠出的墨水形成具有嵌入螺旋特征的細(xì)絲。

該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了具有不同剛度的結(jié)構(gòu)晶格，方法是將堅(jiān)硬的螺旋彈簧嵌入柔軟、柔順的矩陣中——就像軟床墊中的金屬彈簧一樣。材料的整體剛度可以通過調(diào)整矩陣內(nèi)彈簧的松緊度來調(diào)整。這些可調(diào)螺旋結(jié)構(gòu)可用于制造軟機(jī)器人系統(tǒng)中的關(guān)節(jié)或鉸鏈。

接下來，該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是利用這種新穎的3D打印方法來創(chuàng)建更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)?！巴ㄟ^設(shè)計(jì)和制造具有更極端內(nèi)部特征的噴嘴，可以進(jìn)一步提高這些分層仿生結(jié)構(gòu)的分辨率、復(fù)雜性和性能，”SEAS博士后研究員、該研究的第一作者Natalie Larson說。