哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院的研究人员近日利用3D打印技术，制造出能够响应温度变化进行弯曲、扭转、膨胀或收缩的人造肌肉样丝线。

这项研究受象鼻、章鱼触手和植物卷须等生物结构的启发，基于由Jennifer A. Lewis教授开发的旋转多材料3D打印概念。

该成果发表于《美国国家科学院院刊》，由Hansjorg Wyss仿生工程教授Lewis与L. Mahadevan教授和Joanna Aizenberg教授共同领导。

旋转多材料3D打印技术使用定制双通道喷嘴，共挤出两种弹性体：一种活性液晶弹性体，当加热到其向列-各向同性转变温度以上时，会沿其分子排列方向收缩；另一种被动丙烯酸酯弹性体，无论温度如何均保持形状。

打印过程中通过旋转喷嘴，在活性液晶弹性体中写入螺旋形分子排列，从而在制造过程中预编程丝线的曲率和扭转响应。

这两种材料显示出50倍的弹性模量差异，这为调节形状变化提供了额外的设计变量。在25°C至175°C之间的重复热循环下，经过100次循环后，丝线未观察到明显退化或界面分层。

第一作者Mustafa Abdelrahman描述了这项工作的概念起源：“我看到这个非常漂亮的旋转3D打印平台，心想，‘如果我们接入活性材料并在丝线内对其进行图案化——能否以这种方式驱动形状变化？’”

该团队将丝线组装成可膨胀和收缩的格栅结构，并将两种类型组合到同一结构中，制造出扁平格栅，能够变形为穹顶或马鞍形状，且与计算预测高度吻合。

作为功能演示，研究人员制造了一种主动式过滤器，其孔径能在热信号下开启和关闭；以及一种拾放式夹持器，能够同时提起并转移多个物体——这与大多数一次只能处理一个物体的软体夹持器截然不同。

“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，设置液态金属通道以实现驱动，或集成其他功能。”研究生、共同作者Jackson Wilt说。

对于这项工作的工业相关性，Lewis总结道：“这种丝线设计和打印框架有望加速类肌肉材料从实验室向实际技术的转化。”