哈佛大学的研究人员开发了一种3D打印技术，该技术可以对柔软的丝材进行编程，使其在受热后弯曲、扭转、膨胀或收缩，从而制造出该团队称之为“人造肌肉”的物体。这项研究成果于4月29日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，由哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院生物启发工程汉斯约格·维斯讲席教授詹妮弗·刘易斯（Jennifer Lewis）的实验室完成。
这种名为旋转式多材料3D打印的方法，通过旋转喷嘴并排挤出两种材料：一种是“活性”液晶弹性体，加热到转变温度以上时会沿分子排列方向收缩；另一种是“被动”弹性体，无论温度如何变化都能保持其形状。由于一侧收缩而另一侧保持阻力，即使是简单的双层丝材也会弯曲。打印过程中旋转喷嘴会在丝材中写入螺旋状分子排列，使研究人员能够精确地预先编程其在激活时的形变方式。无需任何后处理。
该团队已经打印出了直径小至约100微米的细丝。论文第一作者、博士后研究员穆斯塔法·阿卜杜勒拉赫曼表示，他被该平台的灵活性所吸引：“我看到这个非常漂亮的旋转式3D打印平台，就想，‘如果我们把活性材料插入其中，并在细丝内部形成图案——我们能否通过这种方式驱动形状变化？’”
研究人员以这些单根丝状物为构建单元，构建了可作为温控过滤器的扁平晶格：加热时，晶格张开，允许球形颗粒通过；冷却时，晶格收缩，从而捕获或支撑颗粒。他们还构建了拾取放置夹具，这是一种可独立支撑的晶格结构，可以放置在多根杆上，加热后夹持并提起杆，冷却后释放。在一项测试中，打印出的具有交替膨胀和收缩区域的晶格在油浴中加热后变形为圆顶状，与模拟预测的形状相符。
研究生兼合著者杰克逊·威尔特指出了更多可能性：“就可扩展性而言，未来可以制造出更复杂的喷嘴，并将其与其他材料集成——例如，使用液态金属通道来实现驱动，或者集成其他功能。”
这项研究得到了L. Mahadevan教授和Joanna Aizenberg教授的合作验证。Mahadevan教授的研究团队专注于天然结构的力学特性，而Aizenberg教授的实验室则利用布鲁克海文国家实验室的X射线散射技术表征了液晶弹性体的分子排列。“这种丝材设计和打印框架有望加速人造肌肉材料从实验室向实际应用的转化，”Lewis说道。
潜在应用包括可同时操控多个物体的软体机器人抓取器、可通过温度调节流道的活性阀门，以及可相互锁定形成多孔、高表面积结构的注射式丝状物，这些结构可用于生物医学领域，例如快速组织凝血。哈佛大学技术开发办公室已采取措施保护该研究成果，并正在推进其商业化进程。联邦资金来自美国国家科学基金会（NSF），并通过哈佛材料研究科学与工程中心（MRSEC，项目编号：DMR-2011754）和美国陆军研究办公室（ARO）的多学科大学研究计划（MURI）提供。
来源：seas.harvard.edu
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