西交大王莉团队《Science Advances》封面：熔融电流体3D打印技术突破软智能器件制造

时间：2024-03-14 09:21 来源：未知作者：admin 阅读：次

导读：液晶弹性体（LCE）材料能够在外界热、光或磁场等刺激下发生大可逆变形并输出大做功，且有可远程无线操控的优势，已经被人工肌肉、软体机器人、柔性可穿戴电子等领域广泛关注。目前，大多数研究集中在宏观结构或准周期简单微结构的成形和应用。微纳尺度3D打印技术可以制造相对复杂的微结构，但制造的三维微细结构对非接触式刺激进行响应实现复杂可控变形依旧是一个挑战。
2024年3月13日，近日，工作于卢秉恒院士领导下的西安交通大学王莉副教授团队开发一种熔融电流体3D打印技术，用于液晶弹性体从微米尺度到厘米及以上尺度的软执行器，如图1所示。研究人员制造了对热刺激响应的各种宏微跨尺度结构软执行器，并首次将LCE材料应用于温度场检测领域，开发出一种集成了机器视觉与深度学习模型的环境温度场传感器。相关研究成果以“Melt electrowriting enabled 3D liquid crystal elastomer structures for cross-scale actuators and temperature field sensors”为题作为封面文章发表在《Science Advances》上，西安交通大学博士冯学明为论文第一作者，王莉副教授是共同第一作者兼通讯作者。

图1 熔融电流体3D打印制造LCE宏微跨尺度结构

熔融电流体3D打印的LCE微纤维基本力学性能

熔融电流体3D打印技术通过施加在金属针头末端的直流高压电场作用形成锥射流并沉积到基底上。结合基底的三轴移动层层堆叠射流成型宏微跨尺度结构。由于泰勒锥处的强大剪切力，介晶在结构内部发生可编程取向排列。打印的LCE微纤维直径可以从最小4.5μm到70μm之间可控变化，热致应变从10%到55%变化，最大做功密度高达160J/Kg。此外，研究人员采用高达15Hz的热气流刺激纤维执行器并负载超过自重3500倍的滑块重物，纤维执行器依旧能上下提升重物并做功，响应时间低于33ms。

图2 熔融电流体3D打印的纤维执行器形貌及热致动性能测试

3D打印具有梯度变化的尺寸和热致应变性能的单元微结构

熔融电流体3D打印能够沿着指定的路径精确沉积不同直径的LCE微纤维，从而实现热致应变性能的单元微结构。如下图所示，LCE微纤维层层堆叠在一起形成高度精确可控的大高宽比薄壁单元结构，且内部纤维层间紧密粘结没有明显的阶梯效应。其最大高宽比可达100，而常规电流体3D打印的薄壁结构高宽比通常低于60，其最大应变能到50%。基于此，研究人员设计并打印了多种薄壁单元结构，并测试了从室温加热至120℃前后的热致变形。

图3 3D打印具有梯度变化的尺寸和热致应变性能的单元微结构

(责任编辑：admin)

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