俄勒冈州立大学创建新3D打印方法 制造类似于肌肉的变形材料

盖世汽车讯 据外媒报道，俄勒冈州立大学（Oregon State University）研究人员帮助创建新的3D打印方法，用于打印类似于肌肉的变形材料，为提升机器人、生物医学和能源设备领域应用打开了大门。

（图片来源：俄勒冈州立大学）

由俄勒冈州立大学工程学院Devin Roach及其合作者打印的液晶弹性体结构（LCE）在打印后可以直接爬行、折叠和折断（snap）。机械工程学助理教授Roach表示：“LCE基本上是软电机。由于它们很软，与普通电机不同，非常适合人们本来就很柔软的身体。因此，它们可以用作植入式医疗设备，例如将药物输送到目标位置、作为目标区域手术的支架，或作为帮助治疗失禁的尿道植入物。”

液晶弹性体是轻微交联的聚合物网络，在暴露于某些刺激物（如热量）时能够明显改变形状。它们可用于将热能（如来自太阳或交流电的热能）转化为可按需存储和使用的机械能。Roach补充说，LCE还可以在软机器人领域发挥重要作用。“结合LCE的柔性机器人可以探索不安全或不适合人类前往的区域。在航空航天领域，它们也被证明是富有前景的，可以作为自动化系统的执行器，如深空抓取（space grappling）、雷达部署或地外探索等系统。”

Roach表示，液晶弹性体的功能基础在于其混合各向异性和粘弹性。各向异性指的是具有方向依赖性的特性，例如木材沿着纹理的强度比穿过纹理的强度大。粘弹性材料既具有粘性（如蜂蜜），可抑制流动和在压力下缓慢变形；又具有弹性，在压力消除后可恢复原始形状（如橡胶）。粘弹性材料可以缓慢变形并逐渐恢复。

液晶弹性体的变形特性取决于材料内部的分子对齐。Roach和哈佛大学（Harvard University）、科罗拉多大学（University of Colorado）、桑迪亚（Sandia）和劳伦斯利弗莫尔（Lawrence Livermore）国家实验室的合作者发现了一种方法，可以在名为数字光处理的3D打印过程中利用磁场来对齐分子。

3D打印也称为增材制造，允许一次创建一层物体。在数字光处理过程中，光被用于将液体树脂精确地硬化为固体形状。然而，让弹性体分子对齐可能具有挑战性。Roach表示：“对于释放LCE全部潜力，并使其在高级功能应用中得到应用，关键在于对齐分子。”

研究人员改变磁场强度，并探讨磁场强度和其他因素（如各打印层厚度）如何影响分子对齐。因此，他们能够打印出复杂的液晶弹性体形状，而这些形状在加热时可以特定方式发生变化。Roach表示：“这项工作为创造先进材料开辟了新的可能性，这些材料能够以有用的方式对刺激做出反应，有望引领多个领域创新。”

这项发表在期刊《先进材料（Advanced Materials）》上。而在发表在《先进工程材料（Advanced Engineering Materials）》上的相关研究中，Roach领导的团队探索了液晶弹性体的机械阻尼潜力。该团队由俄勒冈州立大学的学生，以及桑迪亚、劳伦斯利弗莫尔和纳瓦霍科技大学（Navajo Technical University）的合作者组成。

机械阻尼是指减少或消散在机械系统中振动或振荡的能量，包括汽车减震器、抗震阻尼器（有助于保护建筑物免受地震影响），以及桥梁上的减震器（可充分减少风或机动车引起的振荡）。俄勒冈州立大学的学生Adam Bischoff、Carter bawcut和Maksim Sorkin以及其他研究人员证明了，通过直接墨水写入3D打印制造方法，可以生产机械阻尼装置。这种装置可以在很大的加载速率范围内有效地耗散能量。