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(tái)，該平臺(tái)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(duì)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(tái)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(tái)，該平臺(tái)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(duì)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(tái)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。