在精细、受限的环境中作业的软体机器人，需要柔软、可大幅变形、并能被打印成复杂内部结构的材料。DLP（数字光处理）3D 打印可以制造出这些结构，但以这种方式打印出的水凝胶通常偏硬、拉伸能力有限，这限制了打印软体驱动器所能实现的功能。上海交通大学（en.sjtu.edu.cn）的一个团队开发出一种打印后处理方法，在形状定型之后重塑水凝胶的内部结构，为 3D 打印软体机器人制备出兼具拉伸性与强度的材料。研究人员用它打印了充气式驱动器、一个夹爪，以及两个能够行走和爬行的机器人。该成果发表在《自然・通讯》（Nature Communications）上。
为什么 3D 打印水凝胶难以拉伸
DLP 打印依赖快速光聚合，使每一层都能保持形状。这种速度会在长而柔韧的分子链形成之前就把聚合物网络锁定，留下短而紧密结合、难以拉伸的链段。硅酮弹性体 —— 如软体机器人领域的基准材料 PDMS—— 不可光固化，因此通常采用模塑成型；当设计中含有封闭腔室时，这还会增加脱模和粘接步骤。用长链预聚物打印可以保留柔韧链段，但这些树脂往往粘度过高，难以可靠地进行再涂覆，而用于稀释它们的残留有机溶剂也引发了医用安全性方面的担忧。水凝胶以水为介质，避免了溶剂问题，但机械强度较弱且易溶胀，可能使打印部件变形。为在打印中保持形状，DLP 水凝胶通常使用高用量的光引发剂和高浓度的反应性乙烯基，形成致密网络，拉伸性能差。此前的方案往往顾此失彼：CLEAR 通过暗聚合构建链缠结，但强度停留在百千帕（kPa）量级；可光裂解网络虽获得延展性，却以大幅牺牲强度为代价。
（图注：DLP 打印一体化水凝胶驱动器的气动变形与有限元建模。图片来源：Nature Communications）
先定型，再重构网络
研究人员将形状定型与力学性能调控分开处理。其打印墨水由带有邻硝基苄基缩醛基团的聚乙烯醇（PVANB）、作为交联剂的甲基丙烯酰化透明质酸和光引发剂 LAP 组成，并加入尿素以降低粘度。在光照下，邻硝基苄基基团形成含有酯键的交联，这些酯键在弱碱性条件下会断裂，因此可在打印后被选择性地切断。
部件使用 BMF 公司（bmf3d.com）的 microArch S140 打印机打印，配备 405 nm 光引擎，成型平台加热至 60 °C，层厚 20 至 70 μm，每层曝光 5 至 10 秒。树脂在 5 秒内固化，复杂结构打印耗时一至两小时。后处理分两步进行。首先，将打印后的凝胶用十二醛处理，接上疏水侧链，这些侧链聚集形成增强域。随后，用氢氧化钠溶液切断酯键交联，延长交联点之间的有效链长。疏水簇和链缠结使凝胶在断链后仍保持完整。刚打印出的凝胶在 68% 应变、0.7 MPa 强度下断裂。疏水处理将抗拉强度提升至 6.3 MPa；修饰程度越高，刚度（杨氏模量）从 1.94 MPa 增至 8.9 MPa。经过 6 小时碱处理后，凝胶达到 1100% 应变和 3.7 MPa 强度，相比未处理打印件分别提高 15 倍和 5 倍以上，并在 100 次加载循环后性能保持不变。处理时间越长，拉伸能力越强，但强度会有所下降。
处理还使部件均匀收缩，有效打印分辨率从 55 μm 提升至 37 μm，螺旋曲面点阵（gyroid lattice）和空心结构保持接近设计尺寸。在细胞实验中，处理后的凝胶在 0.1 和 0.2 g/mL 浓度下的细胞存活率分别为 95% 和 89%。与 PDMS 和聚氨酯相比，其蛋白吸附更少、摩擦系数更低，强度与 PDMS 相当，但拉伸能力更强。
（图注：脱交联与疏水增强使 DLP 打印水凝胶可用于软体驱动与机器人技术。图片来源：Nature Communications）
从充气腔室到行走与爬行机器人
在驱动器方面，团队使用了经 12 小时处理的凝胶，其延展性超过 12 倍。打印的球形腔室膨胀至初始体积的约 8 倍，而未经处理的凝胶为 1.9 倍，仅经疏水处理的凝胶为 3.0 倍。反复充气未造成可见损伤，也未损失驱动行程。用拉伸数据标定的 Abaqus 有限元仿真与实测变形吻合良好，作者称这为设计软体机器人驱动器提供了基础。
一个重 2 g 的花瓣形驱动器可提起 25 至 40 g 的负载。研究人员还以单件形式打印了气动弯曲驱动器 —— 抓取与运动的基本构件，而用 PDMS 制造这种设计需要脱模和层间粘接步骤。三个这样的驱动器组合成一个夹爪，成功夹起了一个蛋黄。
两个机器人展示了运动能力。一个以水熊虫为原型的四足步行机器人采用充气式腿部，腿部角度从约 90° 变为 140°，脚部采用不对称结构防止向后打滑，可在覆盖水的斜面上移动。一个蠕虫状机器人以单一体打印而成，包含一个伸长模块和两个起锚定作用的膨胀模块，能在充满液体的管道中移动，并以约 0.1 N 的推力推动 10 g 的载荷。作者指出，血管导航等微创手术是潜在的应用方向。
（图注：r-PVANB 凝胶在集成软体机器人系统中的设计概念、模块性能与多模态运动演示。图片来源：Nature Communications）
此前的可拉伸 DLP 打印水凝胶研究
上海交通大学的研究针对 DLP 打印水凝胶中的一个具体矛盾：打印时保持形状所需的致密网络限制了部件此后的可拉伸程度，而此前那些松弛网络的方法又会在过程中损失强度。该团队在两个不同的阶段分别处理这两个需求，第二阶段在打印后进行。
来自南方科技大学、新加坡科技设计大学、耶路撒冷希伯来大学等机构的研究人员此前已用 DLP 打印出可拉伸至 1300% 的水凝胶点阵结构。随后，他们使用一台定制 DLP 3D 打印机和一种水溶性光引发剂，将高弹性 PEGDA 水凝胶与其他可 UV 固化树脂粘合在一起，其中一种成果是集成了水凝胶应变传感器的气动驱动器。该项目与本研究在 "将高拉伸性 DLP 打印水凝胶与气动软体驱动相结合" 这一点上有所重叠，但其重点是水凝胶与其他聚合物在混合部件中的结合。
在这一背景下，上海交通大学的研究将高强度与高拉伸性集于同一种 DLP 打印水凝胶，并将其应用于气动驱动器以及行走、爬行机器人。
这项题为《可控交联裂解与相分离实现用于软体机器人的高拉伸高强度 3D 打印水凝胶》（"Controlled crosslink cleavage and phase separation enable highly stretchable and strong 3D-printed hydrogel for soft robotics"，DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-78658-8）的研究由赵良燊、蔡健荣、钱麒麟、张胜明、王晨昊、陈婷、肖超楠、任春玲、曾庆梅、鲍丙坤、林秋宁、廖洪恩、朱麟勇和张博语共同完成。
来源：中国3D打印网编译文章！
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