【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院的李木軍副教授，聯(lián)合張世武教授等研究人員，在智能材料3D打印領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出復(fù)合冷場(chǎng)3D打印技術(shù)，成功制備具有高取向序參數(shù)和多元形變能力的近環(huán)境溫度響應(yīng)液晶彈性體(NAT-LCEs)，并基于此開發(fā)出心率監(jiān)測(cè)精度顯著提升的智能腕帶系統(tǒng)。成果以“3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation”為題發(fā)表于期刊《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)納米雜志》(ACS Nano)上。
液晶彈性體作為新型智能材料，在軟體機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和可穿戴電子領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)液晶彈性體存在響應(yīng)溫度高(>70℃)、制造工藝可編程性受限等瓶頸，嚴(yán)重制約其實(shí)際應(yīng)用。開發(fā)具有近環(huán)境溫度響應(yīng)特性且可精密加工的新型液晶彈性體，成為該領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出“低溫噴頭+冷卻平臺(tái)”復(fù)合冷場(chǎng)協(xié)同調(diào)控策略，取得了多項(xiàng)技術(shù)突破：1、液晶基元取向的精準(zhǔn)控制：通過(guò)5℃低溫打印環(huán)境維持墨水高粘度，利用剪切力誘導(dǎo)液晶基元高度定向排列，使取向序參數(shù)較傳統(tǒng)室溫打印方法提升30倍以上。2、多元形變編程：實(shí)現(xiàn)鞍形、錐形、英文字母等復(fù)雜結(jié)構(gòu)可逆變形。3、生物兼容應(yīng)用：材料響應(yīng)溫度適配人體耐受范圍，成功開發(fā)可主動(dòng)貼合皮膚的智能心率監(jiān)測(cè)腕帶系統(tǒng)。
圖1 復(fù)合冷場(chǎng)3D打印系統(tǒng)工作原理示意圖
本研究打印的結(jié)構(gòu)展現(xiàn)良好環(huán)境自適應(yīng)特性：圓盤樣品在室溫自發(fā)形成馬鞍形，10℃時(shí)曲率增大，60℃條件下變?yōu)殄F形。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)溫實(shí)現(xiàn)梯度編程，“USTC”字母等結(jié)構(gòu)通過(guò)分層控溫編程實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)卷曲變形。研究團(tuán)隊(duì)還探討了該技術(shù)在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。集成液態(tài)金屬電路的液晶彈性體腕帶在PID溫控下主動(dòng)貼合手腕，顯著提高了測(cè)量精度并降低了噪聲，1000次疲勞測(cè)試性能無(wú)衰減，促進(jìn)了軟機(jī)器人技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)儀器和可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展。
圖2 可編程多元形變展示與應(yīng)用
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系碩士研究生李東曉、博士后孫宇軒為論文共同第一作者。李木軍副教授、張世武教授、孫宇軒博士后為共同通訊作者。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院潘挺睿教授、澳大利亞伍倫貢大學(xué)李衛(wèi)華教授為論文共同作者。該研究得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省自然科學(xué)基金、“科大新醫(yī)學(xué)”聯(lián)合基金支持。部分實(shí)驗(yàn)獲得了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心等平臺(tái)支持。
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