供稿人：白路歌 王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2023-07-19
螺旋結(jié)構(gòu)在自然界中普遍存在，并具備獨(dú)特的機(jī)械性能和多功能性。例如，肌動(dòng)蛋白和原肌凝蛋白在骨骼肌細(xì)絲中的螺旋狀組裝導(dǎo)致了骨骼肌的高收縮力和特異性工作能力，植物的嗅覺(jué)運(yùn)動(dòng)源于植物細(xì)胞壁內(nèi)螺旋排列的剛性纖維素纖維。目前制造螺旋結(jié)構(gòu)的方式有纏繞、扭曲和編織單個(gè)細(xì)絲、微流體、自成型和打印等方法，然而，這些方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)局部可編程的多材料螺旋結(jié)構(gòu)的制造。
哈佛大學(xué)Lewis團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)旋轉(zhuǎn)多材料3D打印（RM-3DP）平臺(tái)，通過(guò)控制多材料噴嘴轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與平動(dòng)速度的比值，創(chuàng)建了具有可編程螺旋角、層厚度和多材料界面面積的螺旋細(xì)絲。研究者通過(guò)將打印噴嘴與電機(jī)耦合實(shí)現(xiàn)了噴嘴以角速度ω的自由旋轉(zhuǎn)（圖1a）。打印噴嘴具有“殼-扇-芯”幾何結(jié)構(gòu)，其中“扇”層設(shè)計(jì)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖1b）。在打印螺旋結(jié)構(gòu)的細(xì)絲時(shí)，噴嘴旋轉(zhuǎn)的角速度與平動(dòng)速度之比ω/v決定了螺旋結(jié)構(gòu)的理論螺旋角φ (r) = tan?1(rω/v)，其中r代表徑向位置 (r = 0為噴頭中心)。改變打印頭和平動(dòng)方向的夾角可進(jìn)行原型打印（圖1d）、傾斜打印（圖1e）和垂直打?。▓D1f）三種構(gòu)型的打印。為了使垂直打印的細(xì)絲具有機(jī)械穩(wěn)定性，打印頭配備了紫外線燈，以便在材料擠出過(guò)程中將其固化。
圖1 可編程亞體素結(jié)構(gòu)控制的旋轉(zhuǎn)多材料3D打印
研究者以粘彈性聚二甲基硅氧烷（PDMS）墨水為例，研究了打印構(gòu)型、噴頭角速度ω、接收距離 h和材料擠出流量Q對(duì)打印的細(xì)絲和其中的亞體素幾何形狀的影響（圖2a）。在原型打印時(shí)，h和ω的高值導(dǎo)致細(xì)絲變成非圓柱形或偏離打印路徑，在亞體素水平上，高ω和低h時(shí)亞體素顯示出翹曲的螺旋結(jié)構(gòu)，這種翹曲效應(yīng)在傾斜打印時(shí)顯著減少，傾斜打印的h*= 1時(shí)觀察到最佳的長(zhǎng)絲和亞體素幾何形狀。為了進(jìn)一步證明對(duì)亞體素化細(xì)絲的方向進(jìn)行局部編程的能力，研究者打印了具有ω梯度、ω開(kāi)關(guān)和交替手性的一維（1D）細(xì)絲（圖2b），并使用螺旋打印路徑分別進(jìn)行了無(wú)螺旋結(jié)構(gòu) （圖2d (i)）、分層螺旋結(jié)構(gòu)（圖2d (ii)）和外部保持藍(lán)色材料痕跡的結(jié)構(gòu)（圖2d (iii)）。
圖2 旋轉(zhuǎn)多材料3D打印跨尺度復(fù)雜幾何圖形
研究者通過(guò)RM-3DP平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了任意1D、2D和3D圖案的合成多材料螺旋細(xì)絲的可編程制造，并在后續(xù)制造了有高保真度的螺旋介電彈性體驅(qū)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，為制造多功能材料的復(fù)雜仿生結(jié)構(gòu)開(kāi)辟了新的途徑。