釜山国立大学（PNU）与橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员开发出一种可3D打印的液晶弹性体，可通过编程使其在受热时收缩或伸长。由PNU的Suk-kyun Ahn教授领导的团队，使用了一种近晶型液晶弹性体（LCE），其分子排列可在直写打印过程中通过调整打印速度或温度进行切换。据研究人员称，这使得从同一种材料配方中产生相反的驱动行为成为可能。
这项题为《3D打印近晶型液晶弹性体中的取向切换》的研究发表于《自然·通讯》期刊。传统的液晶弹性体挤出打印通常使分子沿打印方向排列，这限制了每根沉积丝材在受热时只能产生单一的驱动模式。PNU的方法则利用了近晶型液晶的特性，在打印过程中将分子取向在两个垂直方向之间切换。根据最终形成的排列方式，沉积的材料在受热时要么收缩，要么伸长。"我们的工作首次证明了仅通过调节打印速度和温度，使用单一的可3D打印近晶型LCE墨水，即可在两个正交方向之间切换分子取向，"Ahn表示。
示意图展示了在近晶态液晶弹性体的直接墨水写入过程中，剪切速率和温度如何控制分子排列，从而实现垂直、平行和混合指向矢取向。图片来源：Lee等人
通过打印条件编程运动
为了研究排列变化背后的机制，研究人员将直写打印与流变学测量、广角X射线散射和分子动力学模拟相结合。随后，他们制造了具有可编程形状变化的2D和3D结构，包括晶格、弯曲几何形状和具有可切换形貌的表面。研究显示，打印材料在反复加热和冷却循环中仍能保持其驱动行为。在同一种材料中编码收缩和伸长功能，可以减少在制造更复杂的软致动器时组合多种材料或采用不同制造工艺的需求。
研究人员确定的潜在应用包括软体机器人致动器、人工肌肉、可重构触觉表面以及用于调节空气阻力的自适应纹理。可穿戴设备和响应温度变化而改变形状的微创医疗工具也被列为可能的应用。"潜在的实际应用包括软体机器人致动器和人工肌肉、用于触觉显示的可重构表面，以及调节空气阻力的自适应纹理，"Ahn补充道。
这项工作也属于更广泛的4D打印领域，在该领域中，打印结构被设计成在制造后能响应外部刺激而改变其几何形状或性能。然而，该研究仍处于实验室阶段。测试仅使用了一种近晶型LCE配方，研究人员表示，需要进一步的研究才能将该方法扩展到其他材料和大规模制造。据Ahn称，这项技术最终可以让3D打印结构超越固定几何形状，通过程序化的形状变化来执行主动功能。
3D打印近晶态液晶弹性体在不同打印速度和温度下的驱动行为，展现出可编程的伸长与收缩、阻断应力以及在重复热循环中的稳定性。图片来源：Lee等人。
从取向控制到可切换驱动
此前的研究一直致力于使3D打印液晶弹性体中的分子取向更加可预测。2025年，来自哈佛大学、普林斯顿大学、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和布鲁克海文国家实验室的研究人员研究了墨水成分、喷嘴几何形状和打印条件如何影响挤出过程中的取向。该团队利用流变学测量、原位X射线散射和模拟，表明改变喷嘴设计和打印条件等参数可以在空间上控制打印LCE内的分子取向、刚度和驱动应变。
近期，哈佛大学的研究人员使用旋转多材料3D打印技术，生产出将活性LCE与惰性弹性体相结合的丝材。一个旋转共挤出喷嘴控制着两种材料的位置，并引入了螺旋分子取向，使得打印出的丝材在受热时能够弯曲、扭转、膨胀或收缩。研究人员展示了能够打开和关闭、抓取物体并转变为弯曲结构的晶格。
来源：中国3D打印网编译文章！
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