中科大《自然·通讯》：螺旋3D打印液晶弹性体

来源：高分子科学前沿
突破3D打印软体机器人技术：单参数编程实现多模态驱动
          刺激响应材料（如液晶弹性体）为无需外部马达的软体机器提供了全新路径，通过利用材料本身的热机械特性，这些系统能够实现自我折叠、运动及自适应抓取等复杂行为。然而，传统的液晶弹性体编程方法通常针对简单的变形模式（如机械拉伸），局限于薄膜结构或复杂程度和材料受限的电场/磁场排列。传统挤出式3D打印将分子排列严格限制在单轴沉积路径上，导致驱动模式与打印几何形状强耦合，通常需要复杂多材料结构或空间结构化刺激才能实现多模态行为。这一固有约束使得独立控制不同变形维度变得复杂，增加了设计复杂性，并可能降低鲁棒性和可扩展性。
       中国科学技术大学李木军副教授、张世武教授和南加利福尼亚大学陈勇教授提出了一种创新的旋转3D打印方法，通过在液晶弹性体细丝中嵌入螺旋指向矢场，实现了由单一制造参数（螺旋角θ）控制的多模态驱动。通过调节θ，每个细丝在加热时可被编程为收缩、伸长、扭转或保持宏观不变，从而将驱动与器件几何形状解耦。θ的空间梯度创建了激活温度的层级结构，在均匀加热下实现顺序形状变化。对磁性-液晶弹性体复合段进行局部加热，可以重新定向其磁畴，使形状程序可重写，并实现可切换的易失性和非易失性记忆。研究团队在自分隔夹具、多模态变色机器人以及可重编程导丝中展示了这些能力，这些器件无需外部电路即可执行多步或自适应任务。相关论文以“Single-parameter programmed thermomechanical actuation via 3D-printed helical director fields in liquid crystal elastomers”为题，发表在Nature Communications上。



旋转打印技术原理与单细丝驱动编程
       研究团队搭建的打印系统由二轴平移台、旋转平台和定制旋转打印头组成（图1a）。打印过程中，喷嘴持续旋转，在液晶弹性体墨水挤出时沿细丝长度方向编码出螺旋分子排列（指向矢）（图1b）。螺旋角θ由喷嘴旋转速度与平移速度的比值决定，作为单一设计参数确定性控制细丝在加热时的变形行为。宽角X射线散射测量显示θ随ω成比例增加（图1d）。研究团队通过理论计算和实验验证了一个临界中性螺旋角（θn=68°），该角度下细丝主要表现为扭转且长度变化极小（接近中性长度行为）。通过调节θ，可以编程四种基本变形模式：θ=0°时轴向收缩，θ=68°时纯扭转，交替±80°时伸长，交替±68°时宏观不变（图1e）。这一方法将设计空间从一维扩展到二维（图1f），通过不同形式的θ编程实现了顺序形状变化、解耦多模态驱动以及可切换的易失性和非易失性驱动行为（图1g）。




    图1. 螺旋排列液晶弹性体细丝打印系统及所得指向矢取向与驱动模式。 (a) 3D打印装置示意图，具有用于喷嘴定位的二轴平移台、旋转构建平台和由步进电机驱动的旋转打印头（带注射器和喷嘴）。 (b) 打印细丝示意图，显示由于喷嘴旋转导致的液晶弹性体指向矢螺旋排列；指向矢场从核心到外围旋转，外层指向矢与细丝轴线（打印方向）之间的夹角定义为θ。 (c) 液晶弹性体墨水的化学成分。 (d) 细丝排列的宽角X射线散射表征，表明指向矢螺旋角θ随喷嘴旋转速度ω增加而增大（比例尺=0.1 mm）。 (e) 通过沿细丝编程θ获得的四种基本热机械变形模式演示：轴向收缩（0°）、近纯扭转（68°）、轴向伸长（±80°）和宏观不变（±68°）。 (f) 轴向应变和扭转密度张成的二维设计空间，说明从传统一维编程到耦合应变-扭转控制的扩展，其中点i-iv对应于(e)中所示的四种变形模式。 (g) 不同θ编程形式实现的多模态驱动、时间编程的顺序驱动以及可切换的易失性/非易失性形状记忆。

   图2详细展示了单细丝编程的多模态特性。研究人员优化了打印参数：喷嘴高度0.2mm和倾斜角50°可获得笔直平滑且驱动对称的细丝（图2a）。通过调节喷嘴角速度ω，θ可从-80°连续调谐至+80°（图2b）。θ从0°增加时，细丝轴向收缩逐渐减弱并开始扭转；在约68°时呈现纯扭转且轴向应变为零；超过该值后细丝加热时伸长并伴随显著扭转（图2c）。为实现空间变化的θ，团队优化了角加速度（约0.4 rad/s²），可在避免畸变的同时快速实现θ变化（图2d-e）。研究团队开发了逆向设计理论框架，通过将细丝分为两个或多个具有不同θ的段，可在设计空间内任意组合轴向应变和扭转密度（图2f-i）。例如，两段式细丝可分别实现纯收缩、宏观不变、纯扭转和伸长等目标变形；同一目标变形可通过多种不同分段设计实现，充分展示了该方法的多功能性。




      图2. 单细丝多模态编程。 (a) 喷嘴高度为0.1 mm、0.2 mm和0.3 mm时打印细丝形貌对比，说明过低或过高喷嘴高度导致细丝宽度过大或之字形沉积。底部面板（100°C）展示了喷嘴倾斜角对驱动对称性的影响，显示αi=50°时产生稳定的螺旋变形（比例尺=1 mm）。 (b) 示意图显示喷嘴角速度ω如何对应细丝螺旋角θ，θ可从-80°至+80°连续变化。 (c) 不同θ值对液晶弹性体细丝加热时扭转（右轴）和轴向变形（左轴）的影响，从纯轴向收缩过渡到主要扭转，最终到轴向伸长。 (d) 不同角加速度对打印细丝形状稳定性的影响，较高加速度导致明显畸变（比例尺=0.5 mm）。 (e) 不同加速度下的轴向变形。 (f) 阴影区域表示所有可实现的轴向和扭转变形组合（可编程变形设计空间），蓝色边界标记均匀θ下的可实现变形。 (g) 通过将细丝分成具有不同θ的段，在设计空间内选择目标变形（收缩、宏观不变、扭转、伸长）（比例尺=2 mm）。 (h) 打印样品展示通过不同段数实现的各种目标形状。 (i) 实验结果表明，这种多段编程策略可以精确编程轴向和扭转变形（比例尺=5 mm）。数据以均值±标准差表示，n=3个独立样品。
二维网格结构的多模态形状变换
        研究团队将螺旋角编程策略从一维细丝扩展到二维液晶弹性体网格结构，实现了从二维到三维的形状变形（图3）。传统方法仅能将指向矢沿打印路径单轴排列，限制结构为平面变形（图3a）。而通过空间变化的θ编程，网格结构可实现丰富的平面内重构（图3b-c），以及离面弯曲形成三维曲面（图3d）。通过协调编程中心区域和边缘区域，可同时实现拱起和扭转的复合变形，且变形从一种模式在结构跨度上平滑过渡到另一种模式（图3e）。该方法还允许不同变形参数（如长度与曲率）的解耦控制：两个具有相同曲率但不同长度变化的弯曲表面被成功打印，伸长表面的长度约为收缩表面的1.4倍（图3f）。研究团队还通过离面堆叠打印了6层金字塔结构（图3g），厚多层核心抵抗弯曲，将θ编程的驱动向外集中，显著放大了高度柔顺的单层周边的向上卷曲。




      图3. 液晶弹性体网格结构的螺旋角编程实现多种形状变形模式。 (a) 传统多步液晶弹性体编程具有一维指向矢场。 (b) 二维液晶弹性体细丝网格中的单参数（θ）编程，实现多样化的面内变形，说明θ的空间变化可实现多样化的面内变形。 (c) 驱动后的形状变化保持在面内，网格在原始平面内重构，无离面偏转（比例尺=3 mm）。 (d) 网格发生离面弯曲，将初始平面结构变形为三维曲面。 (e) 同时进行的面内重构和离面弯曲产生复杂的三维变形，表现为弯曲和扭转的耦合。 (f) 变形参数解耦：两条具有相同曲率（K=0.35）但长度变化不同（一条收缩，一条伸长）的弯曲条，导致长度相差约1.4倍（比例尺=5 mm）。 (g) 通过离面堆叠制造的6层金字塔。加热时，结构刚度梯度牢固锚定厚中心核心，迫使热驱动集中于柔顺的周边区域并放大其向上卷曲（比例尺=5 mm）。
可编程顺序变形与自分割夹具
        液晶弹性体的向列排列可通过调控超螺旋变形的起始温度来控制驱动顺序（图4a）。一个完整的环形细丝被分为两个相等弧段：较小θ₁和较大θ₂（θ₁<θ₂）。加热至中间温度T₁时，仅θ₂段超过激活阈值并形成超螺旋构型；进一步加热至更高温度T₂时，两段均驱动并整体卷曲。基于此，研究团队设计了一种自分割夹具（图4b）：该夹具由两个直径略有差异的同心环组成，通过三个均匀分布的连接器连接。初始加热使内环的高螺旋段收缩，形成三个小内环，有效将外环分割为三个开放扇区；进一步加热使外环驱动并卷绕在每个物体周围，实现多个目标的并行抓取（图4c）。对比实验表明，自分割方法在一次性抓取六个不同形状物体时的成功率远高于非分割抓取方法（图4d）。该夹具可自适应抓取散落或初始聚集为整体的多个物体，如乐高积木的组装块和分散件（图4e），甚至可抓取缠绕和解缠状态下的多种水生蠕虫模型（图4f），展示了生物启发的自适应抓取行为。




图4. 自分割夹具的可编程顺序变形。 (a) 具有两种不同螺旋角θ₁<θ₂图案的打印环。加热至中间温度T₁时，仅较大角度（θ₂）的细丝段超过激活阈值并发生超螺旋。 (b) 夹具设计具有两个直径略有差异的同心环，由三个支柱连接。 (c) 初始加热使内环的高螺旋段收缩，形成三个小内环；进一步加热使外环绕物体卷曲，实现安全的多物体抓取。 (d) 有无分割情况下对六个物体抓取成功率的比较。 (e) 乐高积木，无论是组装还是散落状态，均可通过选择性分割进行自适应抓取。 (f) 多种水生蠕虫模型在缠绕和解缠状态下均被捕获（比例尺=5 mm）。柱状图/点显示n=5次独立实验的均值±标准差。
可编程易失性与非易失性构型记忆
        为实现可重构软体机器人，研究团队引入磁性复合材料，在打印的螺旋指向矢场上实现可重编程的易失性和非易失性记忆（图5）。每个复合单元由10个离散的液晶弹性体段串联组成，两端为具有特定螺旋角的液晶弹性体部件，中间为磁化钕铁硼-液晶弹性体复合材料（图5a）。加热时，两端液晶弹性体部件扭转，带动中间磁性段旋转，重新定向其磁畴。外部温度升高诱导所有段的协调全局旋转，降温时恢复，呈现易失性记忆效应（图5b）。这种温度驱动的重构导致在磁场下产生不同的变形轮廓（图5c）。研究团队构建了一个四段爬行机器人，每侧不同颜色（图5d）：20°C时白色面朝上行走；进入80°C区域时加热段扭转，翻转为蓝色面，同时改变磁化和步态，实现多模态适应性（图5e）。相反，局部热刺激可诱导非易失性变化，即使刺激移除后仍保持（图5f）：5mT低磁场下快速加热特定段诱导约180°磁畴旋转；40mT强磁场下这些重编程状态使叶片变形为不同形状（图5g）。基于此，研究团队开发了磁控可编程软体导丝（图5h）：在15mT磁场下从导管逐渐伸出时初始轻微向上弯曲；通过近红外激光选择性加热第三和第四段，在相同磁场下导丝从L形重构为U形（图5i），展示了在生物医学应用中的巨大潜力。




      图5. 具有可编程易失性和非易失性记忆的磁性-液晶弹性体结构。 (a) 每个液晶弹性叶片由10个离散的液晶弹性体段组成，每段包含两种具有相反扭转的液晶弹性体子结构和一个磁性复合子结构，在热驱动下实现磁化旋转。 (b) 外部温度升高诱导液晶弹性叶片的协调全局旋转（所有段的集体扭转），冷却时消失——展示易失性记忆。 (c) 这种温度驱动的重构导致在磁场下叶片产生不同的变形轮廓（比例尺=5 mm）。 (d) 四段液晶弹性体爬行机器人，展示由易失性重构实现的颜色和步态切换。 (e) 机器人段在穿越80°C区域时从白色翻转为蓝色，通过同时重构其磁化将行走机器人转变为爬行机器人（比例尺=5 mm）。 (f) 在恒定低磁场（5 mT）下，局部温度尖峰触发叶片的锁定重定向（特定段的扭转），叶片冷却后保留，表明磁响应的非易失性记忆。 (g) 在低磁场（5 mT）下，快速加热特定段诱导局部变形，使其磁畴旋转约180°。在较强磁场（40 mT）下，这些重编程状态导致叶片变形为不同形状（比例尺=5 mm）。 (h) 通过热重编程，设计了一种在从导管伸出时具有可重编程磁驱动的机器人导丝。 (i) 使用近红外光诱导重编程，机器人导丝的磁驱动从L形重编程为U形（比例尺=5 mm）。
总结与展望
       发这项旋转3D打印策略通过螺旋指向矢场在液晶弹性体中实现了单步、单材料的多模态驱动编程，显著推动了基于材料的软驱动技术发展。该方法有效将驱动与几何形状解耦：驱动器的变形行为不再由其形状或打印路径决定，而是由编码的液晶指向矢螺旋取向决定。将此类形态学指令嵌入材料层面极大简化了系统设计，将控制复杂性转移到执行器本身。然而，当前3D指向矢场的控制限于简单螺旋图案，限制了可实现的变形模式范围。此外，扩展到更复杂或更大尺寸的器件时，保持均匀排列和驱动一致性仍面临挑战。未来研究应扩展指向矢控制的空间分辨率以超越均匀螺旋，将感知功能集成到材料中，并结合闭环反馈策略，使软体机器人具备自主自适应行为。