- 研究團隊開發的3D列印方法能讓柔性致動器隨熱變形。
- 這種材料可應用於柔性機器人和人造肌肉等裝置。
- 新方法利用層狀液晶墨水的特性，實現不同運動行為。
- 研究成果可能推進4D列印技術的發展。
來自南韓的研究人員最近開發了一種創新的 3D 列印方法，該方法允許由單一材料製成的柔性致動器在受到熱量影響時進行拉伸或收縮。這項研究是由釜山國立大學 (PNU) 的研究團隊與美國田納西州橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 的合作夥伴共同進行的。他們創造了一種可 3D 列印的液晶彈性體 (LCE)，其分子排列可以在列印過程中進行控制。透過改變列印速度或温度，研究團隊能夠確定材料對熱量的反應。
根據團隊的説法，這種材料可應用於柔性機器人、人造肌肉、可穿戴設備及其他形狀變化的裝置。
新材料的應用前景
釜山國立大學的教授安碩均 (Suk-kyun Ahn) 表示：「我們的研究首次展示了使用單一可列印的層狀 LCE 墨水，簡單地透過調整列印速度和温度來切換兩個正交方向間的分子排列。」柔性致動器是能夠因外部觸發而彎曲、拉伸、收縮或改變形狀的材料或裝置。液晶彈性體在這些應用中非常有用，因為它們的分子結構可以對熱等刺激做出變化。然而，傳統的擠出式 3D 列印通常會使每根列印的細絲內部的分子朝同一方向排列。
因此，每根細絲的運動類型大多受到限制。
為了克服這一挑戰，研究團隊使用了一種層狀 LCE 墨水，該墨水在列印過程中能夠切換其分子排列。改變這些列印條件使分子朝兩個垂直方向之一排列，從而決定成品材料在加熱時是延長還是收縮。重要的是，這兩種行為均可使用同一可列印材料實現，而無需為不同運動使用不同材料。研究人員報告指出：「與傳統的液晶彈性體列印不同，後者將分子排列固定在列印方向上，而新方法則利用了層狀液晶墨水的獨特行為。」
研究團隊為了更好地理解這一過程，結合了直接墨水書寫技術及多種實驗和計算方法。他們進行了流變學測量，以研究墨水的流動，並利用廣角 X 射線散射檢查其分子結構，以及進行分子動力學模擬。研究人員隨後利用這種材料列印了具備編程運動的 2D 和 3D 結構，這些結構包括格子、曲面及能夠改變其地形的表面。所列印的材料在重複加熱和冷卻循環中也能保持可靠的性能。
簡化柔性機器創建
將相反運動編程到單一材料中的能力可能簡化了柔性機器的創建，以實現更複雜的行為。安碩均補充道：「潛在的現實應用包括柔性機器人致動器和人造肌肉、可重構的觸覺顯示表面，以及調節空氣阻力的自適應紋理。」根據團隊的説法，這一方法還可能推進 4D 列印，這種列印技術使得 3D 列印的物體在製作後能夠改變其形狀或性能。安碩均強調，在未來五至十年內，這項研究可能使 3D 列印的物體不僅限於保持固定形狀，而是能夠主動改變形狀並執行特定功能。
該研究成果已發表在《自然通訊》期刊上。
層狀液晶墨水的創新應用
這項研究展示了層狀液晶彈性體的潛力，能夠在單一材料中實現多種運動行為，這對柔性機器人及可穿戴設備的發展至關重要。傳統3D列印技術的限制使得材料的應用受限，而這種新方法不僅克服了這些挑戰，還可能推進4D列印技術。未來，這項技術可能會改變我們對於材料設計的思維，讓物體在使用過程中能夠主動改變形狀，從而開啟更多創新的應用場景。