一种新的3-D打印方法将使制造和控制软机器人，人造肌肉和可穿戴设备的形状变得更加容易。加州大学圣地亚哥分校的研究人员表明，通过控制液晶弹性体或LCE的印刷温度，他们可以控制材料的刚度和收缩能力(也称为致动度)。而且，它们能够通过暴露于热中来改变同一材料中不同区域的刚度。

作为概念的证明，研究人员用一种墨水用一种墨水以单张打印方式进行3D打印，其结构的刚度和驱动力的变化幅度为零个百分点至30%。例如，LCE 结构的一个区域可能像肌肉一样收缩;另一个可以像腱一样灵活。之所以有突破的可能是因为该团队密切研究LCE以更好地了解其材料性能。

由加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院机械与航空航天工程系教授蔡胜强带领的团队在9月25日的《科学进展》上详细介绍了他们的工作。

通过生物学和自然界的实例，激发了研究人员创造具有不同驱动程度的这种材料。除了肌肉和肌腱的组合外，研究人员还从鱿鱼的喙中获得了线索，鱿鱼的尖端非常坚硬，但与鱿鱼的嘴相连时则更加柔软和具有韧性。

“ 3D打印是制造许多不同事物的绝佳工具，现在更好的是我们可以打印在一定刺激(在这种情况下为热)下可以根据需要收缩和变硬的结构，”王子军说，该论文的第一作者和博士学位。蔡的研究小组的学生。

了解材料特性

为了了解如何调整LCE的材料特性，研究人员首先非常仔细地研究了该材料。他们确定印刷的LCE灯丝是由壳和芯制成的。外壳在打印后很快冷却下来，变得更硬，而芯子冷却得更慢，保持了更大的延展性。

结果，研究人员能够确定如何在印刷过程中改变多个参数，尤其是温度，以调整LCE的机械性能。简而言之，印刷温度越高，材料的柔韧性和延展性就越高。虽然LCE墨水的制备需要几天的时间，但实际的3-D打印可以在1-2小时内完成，具体取决于要打印的结构的几何形状。

蔡说：“基于LCE灯丝的特性和印刷参数之间的关系，很容易构建具有渐变材料特性的结构。”

改变3D打印结构的温度

例如，研究人员在40摄氏度(104华氏度)下打印了LCE盘，并在热水中将其加热到90摄氏度(194华氏度)。圆盘变形为圆锥形。但是，由在不同温度(例如40，然后80和120摄氏度)打印的区域组成的LCE盘在加热时会变形为完全不同的形状。

研究人员还用两层具有不同特性的LCE制成3D打印结构，结果表明，这给了材料更大的驱动自由度。研究人员还用这种材料印刷了晶格结构，可用于医疗应用。

最后，作为概念证明，研究小组3-D打印了他们在3-D打印过程中进行过调谐的LCE管，并显示了在约94 C的高温下启动时，它可以粘附在刚性玻璃板上的时间更长(201 F)，而不是具有均质特性的普通LCE管。这可能导致制造出更好的机器人脚和抓爪。

不仅可以在热水中激活材料的激活，还可以通过向LCE中注入热敏颗粒或吸收光并将其转化为热的颗粒(从黑色墨水粉末到石墨烯的任何一种)来激活。另一种机制是用电线进行3-D打印结构，该电线产生嵌入LCE的热量。

下一步包括找到一种更精确，更有效地调整材料特性的方法。研究人员还致力于修改墨水，使打印后的结构可以自我修复，重新编程和回收。