特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。螺旋結構在自然界中普遍存在，并賦予其獨特的機械性能和多功能。到目前為止，模擬這些自然系統的合成結構已經通過纏繞、扭曲和編織單個細絲、微流體、自成型和打印等方法制造出來。然而，這些制造方法無法同時在任意2D和3D圖案中從廣泛的材料中創建和繪制具有子體素控制的多材料螺旋結構絲。為了實現這一目標，為了實現這一目標，最近報道了多材料和旋轉3D打印的結構絲；然而，這兩種能力的融合還有待實現。有鑒于此，哈佛大學Jennifer A. Lewis報告了一個旋轉多材料3D打印(RM-3DP)平臺，該平臺能夠對方位異質結構細絲的局部方向進行亞體素控制。通過連續旋轉具有可控角速度和平移速度比的多材料噴嘴，在給定的圓柱體素內創建了具有可編程螺旋角、層厚和幾種材料之間的界面面積的螺旋細絲。利用這種集成方法，制備了由高保真的螺旋介電彈性體驅動器和嵌入介電彈性體基體中的可單獨尋址的導電螺旋通道組成的功能性人工肌肉。還在一個柔順的矩陣中制造了由包含剛性彈簧的建筑用螺旋支柱組成的分層晶格。該增材制造平臺為在生物啟發基元中生成多功能的結構材料開辟了新的途徑。本工作的RM-3DP方法結合了兩個實現特征:(1)具有方位非均勻亞體素特征的多材料噴嘴和(2)允許幾個壓力控制的油墨庫以及噴嘴自由旋轉的打印頭設計。RM-3DP平臺可用于三種配置，每一種構型都由打印頭旋轉軸(θP)和燈絲沉積(θD)相對于水平的角度來確定。為了證明在動態中局部編程亞體素化細絲方向的能力，作者打印了具有ω*梯度、ω*開關和交替手性的1D細絲。通過在離散位置(即僅在角落)旋轉打印頭產生的2D方形螺旋圖案進一步突出了該平臺的功能。
圖 具有可編程亞體素控制的建筑細絲旋轉多材料3D打印
為了證明制造功能性纖維的能力，設計并打印了螺旋介電彈性體致動器(HDEA)纖維，該纖維具有離散的、可單獨尋址的螺旋導電通道，具有高螺旋角、薄層和嵌入介電彈性體基質中的高多材料界面面積。當靜電力壓縮螺旋圖案電極之間的介電彈性體膜時，HDEA可以設計成顯示收縮響應。HDEA細絲是通過垂直打印，使用5毫米直徑的殼扇芯噴嘴和動態UV固化制備的。在不需要扭轉的應用中，可以設計具有周期性交替手性的HDEA，使其局部扭轉與鄰近扭轉相反，而不影響總體可達到的軸向應變。
為了生成結構復合材料，打印了由剛性和軟亞體單元組成的建筑“彈性”細絲和3D網格。作者發現彈性細絲的拉伸力學行為可以通過改變ω*來調整。作者還打印了由彈性細絲組成的木樁結構形式的分層3D網格，作者計劃將功能材料集成到這些復雜的架構中。
Larson, N.M., Mueller, J., Chortos, A. et al. Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control. Nature (2023).DOI：10.1038/s41586-022-05490-7https://doi.org/10.1038/s41586-022-05490-7
