一种新型3D打印方法使材料能够按需弯曲、扭转、扩张或收缩，从而创造出"人工肌肉"。
自然界中充满了能够弯曲和盘绕的细长纤维——从攀爬的葡萄藤蔓，到折叠的蛋白质，再到既能捡起花生又能推倒树木的大象鼻子。
哈佛大学的科学家们致力于赋予合成材料这种受自然启发的物理控制能力，开发出一种3D打印策略，将柔软的毛发状纤维转变为可编程的"人工肌肉"，这些肌肉在受热或冷却时能够弯曲、扭转、扩张或收缩。这是重现生物肌肉复杂性的创新一步，生物肌肉由协同工作以产生复杂运动的纤维束组成。
这一突破来自哈佛大学工程与应用科学学院(MA, USA)的Hansjörg Wyss生物启发工程教授Jennifer Lewis实验室，并由第一作者兼博士后研究员Mustafa Abdelrahman及其同事在《美国国家科学院院刊》中进行了描述。
旋转多材料3D打印
在研究中，研究人员使用了Lewis实验室开发的一种称为旋转多材料3D打印的技术，打印出由形状可变和形状不变组件组成的独特纤维，也就是他们所称的活性材料和被动材料。他们的活性材料是一种液晶弹性体，这是一种特殊类型的聚合物，因其在加热超过转变温度时会沿着优选方向"收缩"的特性，已被作为人工肌肉候选材料引起研究兴趣。
他们的被动材料是一种软性弹性体，即使在温度变化时也能保持其形状，其刚度起到机械运动导向的作用。通过在旋转喷嘴中并排挤出这两种材料，研究人员可以精确地将活性区域和被动区域放置在纤维整个横截面的任何位置。
由于活性液晶弹性体在受热时会沿着其内部分子排列方向收缩，而被动材料不会，即使是一个简单的双层纤维也会因一侧缩短而另一侧抵抗而弯曲。在打印过程中旋转喷嘴有效地将活性分子的螺旋排列"写入"纤维中。
结果是，纤维在激活时的自然曲率和扭转在打印过程中就被预先编程——无需多层组装或机械后处理。
在加入Lewis实验室之前，Abdelrahman曾使用更复杂的方法制造液晶弹性体片材来提取其特性，并希望探索更多可定制的工艺。"我看到了这个非常漂亮的[旋转3D打印平台]，心想，'如果我们在纤维内插入活性材料并对其进行图案化——我们能否以这种方式驱动形状变化？'"
为验证和预测材料的行为，该团队与L. Mahadevan密切合作，Mahadevan的团队专门研究自然结构的力学，以及Joanna Aizenberg的实验室，他们帮助利用在布鲁克海文国家实验室(NY, USA)进行的X射线散射测量来表征液晶弹性体的分子排列。
复杂结构的演示
一旦研究人员能够可靠地编程单根纤维的形状变化，他们就将这些纤维用作构建更复杂、结构化结构的基石。
他们打印了正弦波纤维——最初看起来相同的波浪状丝线，但根据活性液晶弹性体放置的位置而表现出非常不同的变形。当液晶弹性体打印在波浪曲率的外侧时，加热会导致纤维伸直并扩张。但当活性弹性体位于内侧时，同样的热刺激会使纤维收缩。
通过将这些单元编织成平面晶格，团队展示了活性过滤器的潜力——当加热时，这些晶格会打开以允许球形颗粒通过，而当冷却时，它们会收缩以捕获或支撑颗粒。他们还制作了一种抓取装置——可以降低到多根杆上的独立晶格，加热后抓取并提起它们，然后冷却以释放杆子。
在一个实验中，一个打印有交替扩张和收缩区域的晶格在油浴中加热时变形为类似圆顶的形状，与模拟预测的形状非常吻合。
该团队正在探索技术的规模化。通过定制制造的喷嘴和精心调整的墨水，他们已经打印出直径小至约100微米的纤维，并看到了进一步缩小的机会。
"在可扩展性方面，未来你可以创建与其它材料集成的更复杂喷嘴——例如，拥有液态金属通道以实现致动，或整合其他功能，"研究生兼共同作者Jackson Wilt评论道。
虽然液晶弹性体才刚刚开始出现在工业产品中，但它们正在被积极研究用于柔性机器人、能量阻尼和生物医学设备。
Lewis补充道："这种纤维设计和打印框架可以加速人工肌肉类材料从实验室到现实世界技术的过渡。"
潜在应用包括可重构的柔性机器人夹持器，可以同时轻柔地操纵多个物体；孔隙率和流动路径可通过温度调节的活性过滤器和阀门；以及能够锁定在一起形成多孔、高表面积结构的缠绕式可注射纤维——例如，在需要生物组织快速凝结的生物医学环境中非常有用。
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