4D打印新突破：韩国团队用单种墨水打印出受热可控收缩/伸长的软体执行器

最近，韩国釜山大学和橡树岭国家实验室的团队搞出了一项新研究，他们开发了一种可3D打印的液晶弹性体，通过编程，这种材料在受热时能收缩或者伸长。

这项研究的负责人是釜山大学的安锡均教授，他们用了一种叫近晶相液晶弹性体的材料，分子排列可以在直写打印过程中通过调整打印速度或温度来切换。

据研究人员介绍，同一种材料配方能产生相反的驱动行为，你想想，这挺有意思的。

这项研究发表在《自然·通讯》上，标题叫《3D打印近晶相液晶弹性体中的排列切换》。

传统的液晶弹性体挤出打印，通常让分子沿着打印方向排列，这就限制了每条沉积丝材在受热时只能有一种驱动模式。

釜山大学的方法利用了近晶相液晶的特性，在打印过程中让分子取向在两个相互垂直的方向之间切换。

根据最终形成的排列方式，沉积材料在受热时要么收缩，要么伸长。

安锡均教授表示，他们的工作首次证明，仅通过调节打印速度和温度，就能用单一的可3D打印近晶相LCE墨水，实现分子排列在两个正交方向之间的切换。

那么，这种排列切换到底是怎么实现的呢？为了搞清楚机理，研究人员把直写打印和流变学测量、广角X射线散射、分子动力学模拟结合在一起。

他们制备了具有可编程形状变化的二维和三维结构，包括晶格结构、曲面几何体，还有可切换形貌的表面。

研究显示，打印材料在反复加热和冷却循环中，能一直保持驱动行为。

在同一种材料里编码收缩和伸长行为，可以减少制造复杂软体执行器时对多种材料组合或分离式制造工艺的需求。

研究人员指出了几个潜在的应用方向，比如软体机器人执行器、人工肌肉、可重构触觉表面，还有用来调节气动阻力的自适应纹理。

可穿戴设备和在温度响应下改变形状的微创医疗器械，也被列入了可能的应用场景。

安锡均教授补充说，潜在的实际应用包括软体机器人执行器和人工肌肉、用于触觉显示的可重构表面，以及调节气动阻力的自适应纹理。

这项工作也属于更广泛的4D打印领域，也就是打印出来的结构，被设计成在制造完成后能响应外部刺激，改变自己的几何形状或性能。

不过，这项研究目前还停留在实验室阶段。测试只用了单一一种近晶相LCE配方，研究人员说，要推广到更多材料和更大规模的制造，还需要进一步努力。

安锡均教授介绍，这项技术最终可能让3D打印结构超越固定几何形状的限制，通过编程形状变化实现主动功能。

再说说这个领域以前的工作。此前的研究主要集中在让3D打印液晶弹性体中的分子排列更可预测。

2025年，来自哈佛大学、普林斯顿大学、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和布鲁克海文国家实验室的研究人员，研究了墨水成分、喷嘴几何形状和打印条件，是怎么影响挤出过程中的分子排列的。

他们通过流变学测量、操作中X射线散射和模拟，证明了改变喷嘴设计和打印条件等参数，可以在空间上控制打印液晶弹性体内的分子排列、刚度和驱动应变。

更近期，哈佛大学的研究人员用旋转多材料3D打印技术，制备了把活性液晶弹性体和被动弹性体结合在一起的丝材。

一个旋转共挤出喷嘴控制两种材料的位置，还引入了螺旋分子排列，让打印丝材在受热时能弯曲、扭转、膨胀或收缩。

他们展示了能开合、抓取物体，还能转变成曲面结构的晶格。