哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员开发了一种新型3D打印材料，这种材料能够在没有电机或传统机械系统的情况下自行移动、弯曲、扭转和收缩。这项研究成果近日发表在《美国国家科学院院刊》上，预示着未来运动可直接嵌入材料本身。
这项研究来自詹妮弗·刘易斯的实验室，她是3D打印和软材料领域的先驱。她的团队制造了本质上相当于人造肌肉的3D打印细丝和结构，这些结构由两种对热量反应不同的材料制成，从而使它们能够以可预测的方式改变形状。因此，团队不是组装运动部件，而是将运动直接打印到材料中。与他们合作的还有哈佛大学教授、材料科学家乔安娜·艾森伯格，以及应用数学教授L·马哈德万。
将运动打印到物质中
其原理是：每根细丝都使用两种材料打印，一种在加热时收缩，另一种保持不变。由于它们的反应不同，当温度变化时，结构会弯曲或扭转。其中关键的一步是，团队在制造过程中旋转打印喷嘴，从而制造出具有受控内部结构的所谓复合细丝。正是这种旋转打印步骤实现了最终材料中所见的扭转以及更复杂、可控的变形。换句话说，运动是在打印过程中内置于材料中的，而非事后添加。结果便产生了一种新型“活性”材料，无需电机或外部部件即可进行复杂运动。
使这项研究成为可能的是团队使用的3D打印类型。他们采用了一种称为直写成型的技术，而非标准的塑料挤出工艺——这是刘易斯实验室多年来帮助开发的技术。由于这些材料柔软且具有响应性，它们可以在细丝层面进行工程设计，而这正是运动被设计出来的地方。
关键在于材料的排列方式
通过将“活性”和“被动”材料并排放置，并在打印过程中控制它们的取向，团队可以预先决定结构将如何表现。如果各层按一种方式对齐，细丝会弯曲；如果它们被旋转，细丝则会扭转。这种控制程度将打印过程本身转变为一种“编程运动”的方式。
团队展示了一系列演示，其中打印的结构在受热时会卷曲、扭转，甚至形成变化的晶格形状。有些表现得有点像柔软的机器人部件，而另一些则感觉更接近生物组织。最突出的是运动类型：它平滑、连续且可逆，这是传统刚性部件难以实现的。
活性-被动匀质变形晶格。图片来源：哈佛SEAS
另一个重要的细节是材料系统本身。这些不是刚性塑料，而是设计用于响应温度变化的软聚合物。当加热时，一侧略微收缩，而另一侧则抵抗，从而产生驱动运动的内应力。这使得结构能够以可控且可重复的方式运动。这类材料可用于软体机器人、能在体内自适应调整的医疗设备，以及响应周围环境的柔性系统。由于运动直接内置于材料中，无需电机、铰链或复杂的装配，这使得它们更容易制造，且随着时间的推移更可靠。
哈佛大学海洋工程与科学学院詹妮弗·刘易斯实验室
一个在3D打印领域有着悠久历史的知名实验室
对于多年来一直关注增材制造的人来说，刘易斯实验室对这种突破并不陌生。长期以来，它一直处于打印功能性材料的前沿，包括生物打印领域的早期工作。我有幸在最近一次访问中参观了刘易斯实验室，你仍然可以在空间中看到那段历史。在众多项目和原型中，有团队开发的首批生物打印机之一——这是向打印生命系统迈出的早期一步，我在之前的访问中对此有过更详细的报道。同样的理念——将材料科学与制造技术相结合——至今仍驱动着这项研究。
从打印简单结构开始，到后来打印活体材料，现在则进入到打印能够主动响应和运动的材料。这与其说是制造物体，不如说是创造以特定方式表现的系统。
这项最新研究正是建立在这一基础之上，将3D打印从静态部件推向动态、响应式系统。
在实验室的后方，一台多轴生物打印机旁边，是刘易斯实验室内部开发的定制机器，由詹妮弗·刘易斯和她的博士后马克·斯凯勒-斯科特率先研制。如今，它是实验室努力打印复杂活体组织的主要设备。图片来源：3DPrint.com
在将这些材料用于实际产品之前，仍有工作要做，尤其是在规模化生产和耐久性方面。但其理念是，工程师或许不再需要设计拥有许多活动部件的机器，而是可以设计能够自行移动、适应和响应的材料。而如果以刘易斯实验室的过往记录为参考，这很可能仅仅是个开始。
中国3D打印网编译文章！
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