旋转式多材料3D打印实现活性-被动材料细丝及晶格的可编程形状变形研究学术报告
一、 主要作者、机构及发表信息
本研究的主要作者包括Mustafa K. Abdelrahman, Jackson K. Wilt, Yeonsu Jung, Rodrigo Telles, Gurminder K. Painka, Natalie M. Larson, Joanna Aizenberg, L. Mahadevan 和 Jennifer A. Lewis。作者主要来自哈佛大学的约翰·保尔森工程与应用科学学院（John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences），部分作者同时隶属于哈佛大学的化学与化学生物学系、物理系、有机与进化生物学系以及威斯生物启发工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering），还有作者来自斯坦福大学机械工程系。该研究成果以研究论文（research article）的形式发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS），发表时间为2026年4月22日（在线发表日期），卷期为第123卷第17期。
二、 学术背景与研究目标
本研究属于软物质工程、智能材料与先进制造交叉领域，具体聚焦于可编程形状变形材料与结构。自然界中的细丝，如蛋白质、植物卷须、章鱼触手和象鼻，能够通过其内部活性与被动区域的复杂图案化，实现任意三维形状的转变以执行关键功能。然而，在合成材料中复制这种复杂的形状变形行为极具挑战性。
传统的软体细丝形状编程方法主要分为两类：外在编程和内在编程。外在编程（如双层热膨胀系数不同的材料）主要产生弯曲变形；更复杂的变形（如扭曲、卷曲）则需要通过空间图案化不均匀变形（如水凝胶差异溶胀）来实现。内在编程则利用刺激响应聚合物（如形状记忆聚合物、液晶弹性体LCE）实现可逆、无束缚的驱动。然而，单片LCE细丝通常仅限于沿打印（即取向）方向的收缩驱动，要编码更复杂的变形（如卷曲）需要额外的加工步骤。更重要的是，直接规定单个细丝内在曲率和扭曲的方法在很大程度上尚未被探索。
因此，本研究的目标是开发一种“以细丝为中心”的策略，在制造过程中将内在曲率和扭曲直接编码到多材料弹性体细丝中。通过整合活性-被动弹性体、增材制造和计算建模，旨在创建具有复杂可编程响应的形状变形材料，为自适应材料、软体机器人或可展开结构等应用提供新的可能性。
三、 详细研究流程与方法
本研究包含材料制备、打印制造、结构表征、性能测试、理论建模以及功能演示等多个紧密关联的步骤。
1. 材料合成与墨水配制： * 活性墨水： 采用液晶单体RM82，通过氮杂-迈克尔加成反应制备寡聚物基液晶弹性体（LCE）墨水。向其中加入光引发剂、阻聚剂和气相二氧化硅（5 wt.%）以调节流变性。最终墨水在75°C的向列相下打印，以利用剪切诱导的介晶取向。 * 被动墨水： 基于脂肪族氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物（CN9018）和异癸基丙烯酸酯的混合物，同样加入光引发剂和气相二氧化硅（17 wt.%）以及蓝色颜料。通过混合不同比例的更硬弹性体墨水（基于Ebecryl 8413树脂），可以调节被动材料的弹性模量，为编程细丝曲率提供额外的设计参数。
2. 旋转式多材料3D打印（RM-3DP）制造： * 核心设备与方法： 本研究的关键创新在于采用并改进了旋转式多材料3D打印技术。使用定制的双通道喷嘴（通过DLP光固化打印机用刚性光敏树脂制成），该喷嘴包含两个半圆形通道，最终汇合成1毫米直径的出口。 * 打印过程： 将装有活性与被动墨水的注射器分别连接到独立的数字压力控制器，实现共挤出。在打印过程中，通过实时控制喷嘴的旋转速率（ω），可以精确调控两种材料沿细丝长度的空间分布，并同时施加螺旋状的液晶介晶取向。打印出的细丝和晶格在氩气氛围下进行紫外光固化。 * 关键设计变量： 打印速度（v）控制剪切速率，从而影响液晶的取向度（序参数S）和最终驱动应变的大小。无量纲旋转速率（ω* = r dφ/ds，其中r为细丝半径，dφ/ds为界面法向矢量的空间旋转率）是控制界面扭曲程度的核心参数，它直接决定了细丝在受热驱动时的变形模式（弯曲、扭转或耦合变形）。
3. 材料与结构表征： * 热学与力学性能： 使用差示扫描量热法（DSC）测定LCE的向列相-各向同性相转变温度（T_ni）和两种弹性体的玻璃化转变温度（T_g）。通过流变仪测量墨水的剪切稀化行为（表观粘度随剪切速率变化）。使用配备拉伸夹具的流变仪测试纯活性、纯被动以及Janus（双材料）细丝的拉伸应力-应变曲线，并测试了双层材料的粘附强度（通过90°剥离试验）。 * 微观结构与取向表征： 使用扫描电子显微镜（SEM）观察细丝的横截面形貌。利用二维广角X射线散射（2D WAXS）是本研究的关键表征手段，用于直接测量打印细丝横截面上液晶介晶的取向。实验在实验室X射线源和NSLS-II同步辐射光源的软物质界面光束线（12-ID SMI）上进行。通过分析散射图案的方位角强度分布，计算标量序参数S和最大强度方位角φ_max，证实了旋转打印成功引入了螺旋状的介晶取向场，且取向角由ω控制（φ = tan⁻¹(ω)）。
4. 驱动行为测试与量化： * 驱动测试平台： 将样品浸入控温硅油浴中，使用摄像机和热电偶记录图像、视频并监测温度。 * 性能量化： * 细丝层面： 测量纯材料细丝加热时的归一化长度变化。测量无旋转打印的Janus细丝在不同打印速度下的最大曲率。系统研究不同ω*下打印的纯LCE细丝和复合（Janus）细丝在加热后的变形模式（弯曲、扭转、卷曲）和归一化端到端长度变化。 * 晶格层面： 设计并打印了由正弦波形细丝构成的晶格。通过将活性材料置于正弦波的外侧或内侧，编程了“扩张”和“收缩”两种均质单元。测量均质晶格在热循环中的面积变化。进一步，设计并制造了由扩张和收缩单元组成的异质晶格，以驱动面外变形（形成正/负高斯曲面）。通过顶部和侧面双摄像机记录其3D形貌演变，并与模拟结果对比。
5. 理论与计算建模： * 理论框架： 将每个细丝建模为细长、不可伸展且不可剪切的中性面杆（Cosserat rod）。其变形由中心线r(s)和材料框架{d₁(s), d₂(s), d₃(s)}描述。弹性应变能表示为自然曲率-扭曲向量κ̅(s) = {κ̅₁(s), κ̅₂(s), τ̅(s)}与实际曲率-扭曲向量κ(s)之差的平方积分。通过控制材料分布和界面方向n(s)（由打印旋转角φ(s)定义），可以直接规定κ̅(s)，从而在无外部载荷时，细丝松弛到其自然形状κ(s) = κ̅(s)。 * 离散弹性杆（DER）模拟： 采用开源的离散弹性杆模型（dismech软件包）进行数值模拟。将细丝中心线离散为顶点，计算离散曲率和扭曲，并通过梯度下降法最小化离散弹性能量，找到平衡形状。对于晶格，将其建模为由分支节点和连接边（正弦波边）组成的离散图网络，在节点处考虑所有连接边段的弯曲和扭转能量贡献。模拟成功地预测了不同ω*下细丝的变形模式，以及异质晶格在热驱动下向正/负高斯曲面演变的形状。
6. 功能演示： * 动态过滤器： 制造了一个中心为扩张单元、外围为收缩单元的异质晶格，并将其固定在丙烯酸框架中。在低温（T < T_ni）下，晶格孔径小于物体直径，处于“关闭”状态以捕获物体；加热后，晶格整体变形使孔径增大，处于“打开”状态以释放物体，实现了按需捕获与释放。 * 多物体抓取与放置夹持器： 利用由收缩单元组成的均质晶格作为夹持器。加热时，晶格单元收缩，孔径变小从而抓取多个丙烯酸棒；冷却时，晶格扩张，释放物体到预定位置，展示了同时操纵多个物体的能力。
四、 主要研究结果
1. 材料性能与打印基础： 成功合成了性能迥异的活性LCE和被动丙烯酸酯弹性体墨水。LCE在加热至T_ni以上时发生显著收缩（归一化长度~0.67），而被动弹性体基本不变（~1.03）。两者弹性模量相差约50倍（LCE ~29.67 MPa， 被动 ~0.57 MPa），且界面粘附强度高，确保在驱动过程中不会分层。旋转打印实现了两种材料清晰界面的Janus细丝，以及沿细丝长度螺旋变化的介晶取向，这通过WAXS得到了直接证实。
2. 细丝层面的可编程形状变形： * 无旋转打印（ω* = 0）： 产生直的Janus细丝，加热后由于活性与被动部分的不对称热收缩而发生纯弯曲。曲率大小可通过打印速度（v）调节，v从0.25增至3.0 mm/s，最大曲率从0.13增至0.59 mm⁻¹，这与剪切诱导的介晶取向度（序参数S从0.150增至0.230）增加导致的驱动应变增大相符。这种弯曲驱动在100次热循环中高度可逆。 * 有旋转打印（ω* > 0）： * 纯LCE细丝： 变形模式随ω*系统演变：低ω时以弯曲为主，端到端长度缩短最大；ω = 1时，介晶螺旋角接近45°，扭转应变最大化，产生近乎纯扭转的螺旋，长度缩短最小；更高ω*时弯曲重新占主导。这体现了LCE单轴收缩向不同方向分量转换的物理过程。 * Janus复合细丝： 变形行为因被动区域的引入而发生根本改变。低ω*时，活性区主要位于细丝一侧，产生稳定的应变梯度，导致强烈的弯曲和卷曲，端到端长度大幅缩短（l/l₀ ~0.22）。随着ω*增加，出现弯曲与扭转耦合的变形（如环形线圈）。高ω*时，活性与被动材料沿长度快速交替，抑制了稳定弯曲轴的形成，使扭转成为主导变形模式，产生紧密缠绕的螺旋且几乎无长度变化（l/l₀ ~0.98）。这种从弯曲主导到扭转主导的转变，可以通过基尔霍夫杆理论（Kirchhoff rod analogy）与旋转陀螺动力学的类比来理解。
3. 晶格层面的涌现形状变形： * 均质晶格（扩张/收缩）： 通过将活性材料置于正弦波细丝的外侧或内侧，成功实现了晶格的整体扩张（面积增加99 ± 11%）或收缩（面积减少28 ± 11%）。收缩幅度受限于细丝间的自接触导致的机械阻塞状态。两种模式均表现出良好的可逆性。 * 异质晶格（面外变形）： 通过在同一晶格中空间组合扩张和收缩单元，成功驱动了面外形状变形。当扩张单元位于中心、收缩单元位于外围时，初始平坦的晶格在加热后演变为具有正高斯曲率的穹顶状结构。当模式反转（收缩在中心，扩张在外围）时，则形成具有负高斯曲率的鞍形结构。实验结果与DER模拟预测高度一致。模拟还表明，初始平坦晶格需要一定的温度驱动来克服重力影响才能引发曲率，且负曲率结构因刚度较低而受重力影响更明显。
4. 功能应用验证： 基于异质晶格的动态过滤器成功演示了通过温度控制实现物体的捕获与释放。基于收缩晶格的多物体抓取与放置夹持器，则展示了同时、精确操纵多个物体的能力，超越了多数一次只能操纵单个物体的软体夹持器。
五、 研究结论与价值
本研究建立了一种通过旋转式多材料3D打印，在细丝层面直接编码内在曲率和扭曲，从而实现可编程形状变形的策略。该方法实现了对细丝两个正交方向曲率及局部扭转的独立控制。通过将这种细丝层面的几何编程与计算设计相结合，能够构建出从均匀扩张/收缩到复杂面外变形的可编程晶格结构。
科学价值： 研究提出了一个将材料（活性-被动复合材料）、制造（旋转多材料打印）和力学（离散弹性杆理论）相统一的通用框架。它超越了传统的基于层合板或差异生长/溶胀的变形机制，将变形编程的层次从结构单元（如多层梁）下移到单个细丝的连续曲率-扭曲场，为理解和设计形状变形细丝及晶格提供了定量化的新范式。
应用价值： 所展示的动态过滤器和多物体夹持器，证明了该方法在创建自适应、 robotic或可部署结构方面的直接应用潜力。该方法具有可扩展性和通用性，其设计原理可延伸至其他活性材料系统（如水凝胶、形状记忆聚合物、介电弹性体），仅需调整相应的本构关系。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究还探讨了该方法的小型化潜力，通过将喷嘴尺寸从1毫米减小到0.5毫米，成功打印出直径为300微米的细丝。同时，指出了为实现更小尺度打印，需要同步降低墨水粘度以保证足够打印速度以获得所需液晶取向的挑战。此外，文章展望了通过将被动弹性体替换为功能材料（如压敏粘合剂、导电聚合物），可以进一步赋予这些形状变形结构自适应抓附或传感等新兴功能，拓展其在微型机器人、人造纤毛等领域的应用。