哈佛大学最新研究：旋转喷头3D打印液晶弹性体

导读：前段时间在与光速一构的交流中，对方提到3D打印液晶弹性体未来会大量用于制造人形机器人的肌肉，这个领域最近又有了新进展。

2026年6月4日，南极熊获悉，哈佛大学的研究人员开发了一种旋转喷头多材料3D打印策略，可以将柔软的、毛发状的细丝变成可编程的人造肌肉，能够根据温度变化做出可控的运动：弯曲、扭转、膨胀或收缩。

这种细丝在机器人抓取器、主动过滤器和生物医学材料等领域具有潜在的应用价值。

相关成果以题为“Rotational 3D printing of active–passive filaments and lattices with programmable shape morphing”的论文发表在《PNAS》期刊上。本研究由哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院“汉斯约格·维斯生物启发工程教授”詹妮弗·刘易斯博士的实验室主导。论文第一作者是刘易斯实验室的博士后研究员穆斯塔法·阿卜杜勒拉赫曼博士。

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2537250123

这项研究展示了如何在单根丝材中并排打印活性液晶弹性体和被动弹性体。这种结构有效地预先设定了丝材的变形方式，使其在温度变化时能够以特定的方式弯曲、扭转、膨胀或收缩。

自然界中存在许多纤细的结构，它们能够弯曲、盘绕并以惊人的精度移动，例如攀援的葡萄藤、折叠的蛋白质，以及大象的长鼻——它们既能捡起花生，又能强健地折断大树。哈佛大学的研究团队试图在合成材料中重现这种生物控制的某些方面，旨在创造出比传统打印弹性体能够执行更复杂运动的柔软结构。

研究人员利用旋转式多材料3D打印技术（由路易斯实验室开发）制造出横截面内结合了活性材料和被动材料的丝材。 活性材料是一种液晶弹性体，这是一种特殊的聚合物，加热到转变温度以上时，可以沿特定的分子方向收缩。被动材料是一种柔软的弹性体，它在温度变化下仍能保持形状，并起到机械导向的作用，引导丝材运动。

△旋转多材料3D打印主动-被动丝材。(A) 通过定制的1毫米直径喷嘴共挤出主动和被动弹性体墨水的示意图。(B) 旋转打印过程中墨水共挤出的延时图像。(比例尺：1毫米)

通过旋转喷嘴挤出两种材料，研究团队能够将活性区域和被动区域精确地定位在每根丝材的整个横截面上。由于液晶弹性体在加热时会沿着其内部分子排列方向收缩，而被动弹性体则不会，因此即使是简单的双层丝材也能弯曲，因为一侧会缩短，而另一侧则保持阻力。打印过程中喷嘴的旋转使得研究人员能够在丝材中写入螺旋状分子排列，并定义其在激活时的弯曲或扭转方式。这意味着可以在打印过程中对线材的最终温度响应进行编程，而无需组装多层或在制造后进行机械后处理。

△文章中的旋转喷头与南极熊最近报道的另一个旋转喷头混色打印有些类似

阿卜杜勒拉赫曼说道：“我看到这个非常漂亮的旋转式3D打印平台，就想：‘如果我们把活性材料插入到线材中，并进行图案化处理，能否以此方式驱动形状变化？”在加入路易斯实验室之前，他曾用更复杂的方法制备过液晶弹性体薄片，并开始寻找更具定制化的方法。

为了验证和预测材料的性能，研究团队与哈佛大学物理系的L. Mahadevan教授（研究小组专门研究自然结构的力学）以及哈佛大学化学与化学生物学系的Joanna Aizenberg教授（它的实验室协助表征了液晶弹性体的分子排列）合作。排列研究采用了位于美国纽约长岛布鲁克海文国家实验室的X射线散射测量技术。

研究人员证明他们可以对单个细丝的形状变化进行编程后，便将这些细丝作为构建更复杂结构的基本单元。他们打印出正弦曲线状的细丝——或者说波浪状的丝线——这些细丝乍看之下完全相同，但会根据活性液晶弹性体的位置而发生不同的形变。当活性弹性体打印在波浪曲率的外侧时，热量会使细丝伸直并膨胀；而当打印在内侧时，同样的加热刺激则会导致细丝收缩。

研究团队随后将这些单元编织成平面晶格，以展示3D打印如何支持实际的软体机器人功能。在一个演示中，研究人员制造了主动过滤器，加热时过滤器会打开，允许球形颗粒通过；冷却时过滤器会收缩，从而捕获或支撑颗粒。在另一个演示中，他们制造了独立的拾取放置夹具，可以将其放置在多根杆上，加热后即可抓取并提起杆，冷却后即可释放杆。

△主动-被动格子用于过滤和抓取物体。(A) 安装在亚克力框架内的扩展主动-被动晶格过滤器 (B) 过滤器示意图，展示在低温下捕获物体（闭合状态）和在高温下释放物体（打开状态）。(C) 过滤器在加热时从闭合状态过渡到打开状态。(D) 主动-被动格子捕捉和释放球体。比例尺：对于(C和D)为10毫米。由收缩格子和亚克力手柄组成的取放夹具。 (F) 夹具示意图，展示在加热时捕获物体和在冷却时释放物体。(G) 展示取放多个亚克力棒（直径3.5毫米，长度6毫米）的延时图像。(比例尺：25毫米)

另一项实验采用了一种打印了交替膨胀和收缩区域的晶格结构。当在油浴中加热时，结构变形为圆顶状，与模拟预测的形状非常吻合。研究人员也已开始评估这项技术的可扩展性。他们利用定制喷嘴和精心调配的墨水，打印出了直径小至约100微米的细丝，并发现了进一步缩小尺寸的空间。

本研究的博士候选人兼合著者杰克逊·威尔特说道：“就可扩展性而言，未来可以制造出更复杂的喷嘴，并将其与其他材料集成——例如，使用液态金属通道来实现驱动，或者集成其他功能。”

尽管液晶弹性体才刚刚开始应用于工业产品，但它们在软体机器人、能量阻尼和生物医学设备等领域已引起了广泛的研究兴趣。哈佛大学的研究团队表示，这种打印技术有望推动人造肌肉材料走向实际应用。刘易斯说：这种丝材设计和打印框架可以加速人造肌肉材料从实验室向现实世界技术的过渡。”

潜在应用包括可重构的软体机器人抓取器，能够同时抓取多个精细物体；具有温度可调孔隙率和流道的活性过滤器和阀门；以及可相互锁定形成多孔高表面积结构的缠绕式可注射细丝。在生物医学领域，此类材料在需要快速凝血或组织支撑的场合具有应用价值。