3D打印形状复杂且变形可控的水凝胶结构

2019年中国科学院大学BoYu教授团队明确提出利用3D打印机光固化的方法可生产出有形状简单且变形高效率的水凝胶结构，图1为该研究的实验装置图与自倾斜、自变形变形示意图。通过热号召式水凝胶内引进的凹槽微结构，即通过在水凝胶结构侧面引进二级微结构造成结构不平面收缩从而引发变形的原理，构成倾斜、挽回、甚至仿效植物卷曲、花瓣和八爪鱼等简单变形。该方法尤为最重要的，是将性刺激号召性材料与3D打印机结合，可以构建性刺激号召式的形状变形，例如热号召抓持器，可通过温度控制构建了物品的捕捉和获释。由于材料的多样性、结构设计的灵活性以及3D打印机的简便性，该研究为软机器人、的组织工程等创立简单的形状变形架构修筑了新的道路。

图1a实验装置，b自倾斜、自挽回变形示意图该研究探究了曝光时间、水凝胶结构引进的凹槽特征对最后结构的倾斜和挽回角度的影响以及温度对结构完全恢复原貌的时间的影响，找到（1）曝光时间越高，水凝胶结构倾斜角度就越小。其原理为更高的烧结时间造成更高的反应转换率，更高的转换率不会有更高的弹性模量，展现出为更加密切的交联结构，所以不会产生较小的倾斜角度和较低的不平面力。

经过实验探究，适合的曝光时间为8s。（2）当结构层和基底层制件的厚度比维持恒定时，对于具备较小倾斜角的较宽和较薄的条带必须较短的时间挽回到一定角度。

也就是随着凹槽厚度与宽度增加，挽回扭矩不会增加，挽回速度不会减少凹槽的厚度就越小、宽度就越小、弯曲方向就越小，挽回角度越大；（3）水温越高，结构完全恢复原貌的时间就越高。常温水中的完全恢复时间约为60℃水中完全恢复时间的8倍。研究学者应用于该方法生产出有了冷号召抓手，捕捉与获释过程如图2右图。

抓手结构在冷水中膨胀，可实现对0.15g空心球的捕捉，离开了冷水时，抓手对球的抓力解决了抓球的重力以及抓球与水的相互作用力，使得抓手可顺利的将抓球移往到热水中。抓手在热水中血管收缩，构建了0.15g的空芯球体的获释。该案例表明出有3D打印机与热号召材料结合，为软体机器人的研发获取了新的思路。图2抓手的捕捉球体与获释球体示意图参考文献：JiZ，YanC，YuB，etal.3DPrintingofHydrogelArchitectureswithComplexandControllableShapeDeformation[J].AdvancedMaterialsTechnologies，2019：1800713.。

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