Science子刊发布，华人学者提出3d打印 “液晶弹性体” 软机器人新方法
导读
近日，来自加利福尼亚大学圣地亚哥分校“University of California, SanDiego”的华人研究团队提出了一种能够平衡3d打印的液晶弹性体驱动特性和机械特性的方法。基于综合的工艺-结构-材料属性的关系，提出了一种简单的打印具有功能梯度（不同的打印层的材料特性不同）的液晶弹性体的策略，极大的提高了液晶弹性体用于软机器人等可变形结构的设计空间，旨在为液晶弹性体在不同领域的应用开辟更多的可能性。该研究发表于近日国际顶级期刊《科学-进展 (science advance)》上。
1. 3d打印具有功能梯度的液晶弹性体软机器人的新思路
我们都知道，常见的物质被定义为三种形态，即气态，液态和固态。但其实还有很多种物质的不同状态介于这三种形态之间，例如气凝胶，水凝胶，和液晶聚合物等。在19世纪末，液晶被定义为物质的一种状态：由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体称为液晶。
用液晶分子的凝聚作为物理交联的新型热塑性弹性体称之为液晶弹性体，简称LCE（liquid crystalelastomer）。科学家们发现液晶弹性体在受到外界刺激时（例如光，热），材料本身会做出响应。LCE材料可以产生大的可逆性形变，并且具有很高的能量密度，因此在研发新型的软机器人领域有很大的应用潜力，例如可穿戴设备，智能材料和仿生系统。目前，利用液晶弹性体（LCE）特性设计制作的软体机器人被研究者们发表于国际一些顶级的机器人或者科学类期刊上（science robotics，science advances等）。下图是三个典型的利用LCE制作的软体机器人。（文末附有论文信息，感兴趣的读者可以去搜索阅读）
图1. 三种基于液晶弹性体驱动的柔性机器人
利用液晶弹性体制造的，热驱动的无束缚软体机器人展示。
图2. 液晶弹性体材料构成的机器人
液晶弹性体结构或者柔性驱动器可以用墨水直写打印技术来制备。来自加利福尼亚大学圣地亚哥分校“University of California, San Diego”的华人研究者们提出了一种能够调控3d打印的液晶弹性体材料驱动特性和机械特性的方法，即通过设置特定的打印参数。仅仅通过3d打印过程中的打印温度，打印头直径，以及打印头距离平台的距离，就可以打印出来按照预定设计进行形变的智能LCE结构。
该研究发表于近日国际顶级期刊《科学-进展 (science advance)》上，题为“Three-dimensional printing of functionally gradedliquid crystal elastomer”。提出的策略可以为液晶弹性体在不同领域的应用开辟更多的可能性。（论文信息和相关视频在文章末尾，感兴趣的读者不要错过喔）
图3. 3d打印的LCE花瓣结构
LCE的驱动原理为，液晶原（液晶的功能单位）发生的向列相到各向同相的相变过程，因此，LCE的驱动特性主要由液晶原的排列决定。研究团队提出了一种容易实现的墨水直写打印策略，能够一次性打印三维梯度分级（即不同的打印层之间的材料特性可以不同）的LCE结构。
图4. 墨水直写打印技术展示
通过控制打印的参数，例如打印温度，喷嘴尺寸和喷嘴同打印平台的距离，可以“定制”打印具有不同特性的LCE丝，例如驱动应变，驱动应力以及机械刚度。研究者展示比较了均匀打印的LCE圆环和具有梯度打印特性的LCE圆环，可以看到梯度打印的圆环在温度升高后，并没有脱离表面。但是均匀打印的LCE圆环明显从表面掉落了。
图5. 普通打印和分级分层打印的LCE的结构对比
研究者通过打印花瓣形状的智能变形结构来展示3d梯度打印LCE的效果。花瓣由两层的LCE层构成。下图是喷墨直写打印起始层结构，方向一。
图6. 3d打印LCE花瓣软体结构——起始层打印
下图是喷墨直写打印第二层结构，方向二，和第一层方向垂直。
图7. 3d打印LCE花瓣软体结构——第二层打印
分层打印完成后的LCE花瓣结构，受热变形的效果如下图。
图8. 分层分级LCE结构一变形
按照另一种打印策略打印的LCE花瓣结构受热变形。
图9. 分层分级LCE结构二变形
2. 原理简介和打印参数的研究
研究者建立了LCE墨水直写打印过程的理论模型：液体LCE在打印头内被加热到温度T，然后以直径为d的喷嘴挤出。打印过程中喷嘴以速度V进行移动，喷嘴和打印平台的距离为h。以上这些参数的调整都可以决定打印的LCE丝的性能，从而实现对打印的LCE结构的性能控制。
图10.打印LCE过程的温度特性
由于挤出LCE丝的过程中会有剪切应力，液晶原最初沿着打印路径排列。在一段时间以后，挤出的LCE丝冷却到室温，形成了一个芯-壳的结构。外层壳的比内层冷却的要快，因此，外层结构的液晶原保持了好的方向性，内层的液晶原有足够的时间重新排列并回到复杂混乱的状态。
研究者通过实验测试了在不同温度下，液态LCE的黏度和剪切率之间的关系。同时，也测试了不同打印温度下LCE材料的成型特性。打印温度在40度左右时，外层颜色更深。当打印温度上升后，外壳的体积逐渐收缩，最后整条LCE丝颜色一致。
图11. 不同温度下打印LCE
当LCE以不同的温度，不同的喷嘴直径和距离打印平台的距离这三个参数打印时，研究者测试了它们的应变参数，如下图。当温度和高度一定时，喷嘴直径越大，LCE打印的透明度很大的下降。当直径和温度一定时，打印透明度随着距离的增加而减少。当距离和直径一定时，打印LCE的透明度随着温度的降低而提升。
图12. 不同打印参数的LCE材料表现不同
下图展示了LCE材料的驱动应力和打印温度，打印头直径和打印头距离平台距离三个参数之间的关系。以及不同打印参数下，驱动应变和应力之间的关系。
图13. 不同打印温度和参数下LCE材料应力应变曲线
下图展示了当打印温度设定到40℃，60℃和80℃时，打印头和LCE挤出丝的实时温度测量。
图14. 打印LCE时打印喷嘴和挤出丝的温度
为了展示梯度打印LCE智能材料在机器人，可穿戴等领域应用的可能性，研究者设计了一朵LCE材料构成的花瓣结构。花瓣结构分为上下两层。
通过调整LCE打印丝的打印方向，让不同方向的LCE挤出丝叠加两层，可以实现所需要的形变。下图是第一层和第二层呈现垂直的角度。当其被浸入90℃的热水中时，打印出来的仿生花瓣实现了卷曲扭转的变形。
图15. 分层打印LCE材料结构一
当第一层和第二层的打印方向相同，通过控制打印温度，可以实现底层和上层的LCE材料获得不同的驱动应变参数。底层的LCE材料用较小的驱动应变打印，上层的用较大的驱动应变打印。由此在加热到90℃时，花瓣实现了向内部卷曲的效果。
图16. 分层打印LCE材料结构二
当上层的LCE打印到每一个花瓣下层不同的部分时，相应部分会产生所需要的变形，如下面两幅图。
图17. 分层打印LCE材料结构三
图18. 分层打印LCE材料结构四
下图展示了不同的第二层打印导致的不同的变形效果的理论模型和实验数据的对比。
图19. 分层打印LCE材料结构对比
均匀打印的LCE管，当温度加热到94℃时，管子从玻璃板上脱离。当LCE管以梯度材料特性打印时（不同层有不同的应变参数），当温度升高到94℃，LCE管仍然附着在玻璃平面上。
图20. 分层打印LCE结构和普通打印LCE结构对比
3. 总结
研究者通过调节液晶弹性体LCE的打印参数，实现了功能性梯度分层的LCE结构打印。通过调节打印温度，打印头的尺寸和打印头距离打印平台的距离，研究者可以调节打印出LCE丝的驱动应变。为了解释其中的原理，研究者构建了LCE打印过程中的芯-壳模型。和之前的研究相比，这篇研究提出的打印策略可以实现对于打印方向和打印材料的驱动应变的尺度的同时控制，从而极大地提升了可变形结构的设计空间。
在未来的研究中，研究者的希望更准确的控制环境温度，例如打印平台的温度。与此同时，打印速度对于LCE打印丝的影响还没有研究，在实际应用中，打印速度对于材料的影响可能也是很明显的。在未来的研究中会进一步讨论这点。总结来说，目前提出的打印策略为构建三维功能性梯度的LCE结构提供了更多的可能性。
文末视频
END