吉大团队提出液晶弹性4D打印策略，或在人工肌肉制造具备应用潜力

你听说过 4D 打印吗？

简单来说，它是 3D 打印的一种衍生产品，是在 3D 打印的基础上打印智能材料，并在时间维度上改变材料结构的形状或其他物理化学性质的一种技术。

一般来说，为了让材料实现指定的变形，传统的 4D 打印方法会通过设计材料的结构或几何参数来完成，但用这种方法能得到的设计空间较为局限。

近期，来自吉林大学的任露泉院士团队，提出了一种新型液晶弹性体的 4D 打印策略，只需要在打印过程中对打印速度、挤出压力、打印高度和紫外光光强等多个参数进行设计，就能实现对液晶弹性体最终变形行为的控制。

图丨多参数编程 4D 打印方法示意图（来源：Additive Manufacturing）

由于液晶弹性体拥有和人工肌肉相似的力学性能、柔软性和杨氏模量，因此其可以在人工肌肉等多个领域获得广泛应用。

“现在我们可以通过 4D 打印的方式，实现对液晶弹性体的定向打印，这能够为人工肌肉制造、柔性机器人等领域提供更多便利。”吉林大学博士后李冰倩表示。

2023 年 1 月 5 日，相关论文以《用于可编程形状变形行为的液晶弹性体的多参数编码 4D 打印》（Multi-parameter-encoded 4D printing of liquid crystal elastomers for programmable shape morphing behaviors）为题在 Additive Manufacturing 上发表[1]。

图丨相关论文（来源：Additive Manufacturing）

中国科学院院士、吉林大学任露泉教授和吉林大学博士生何禹霖为该论文的共同第一作者，吉林大学研究员刘庆萍和博士后李冰倩为论文的共同通讯作者。

图丨任露泉（来源：任露泉）

据介绍，该团队隶属于吉林大学工程仿生教育部重点实验室。自 2016 年以来，主要聚焦仿生方向的 3D 和 4D 打印研究，并取得了诸多成果。

比如，受到生物中纤维定向的启发，搭建了能够在材料制备的过程中就实现内部纤维定向的工艺装备，以及为了模仿生物的定向行为和梯度行为，开发了很多场定向装备和具有梯度形式的 3D 打印机。

而本次研究始于 2017 年。该团队先是用了一年多时间，完成了包括图纸设计、工艺编程的 4D 打印机、实验及性能调控在内的工艺装备的搭建。

然后，他们开始尝试制备液晶弹性体。由于该团队此前并没有相关制备经验，所以经过了较长时间的研究，才实现稳定调控液晶弹性体的性能。

接着，通过对打印速度等参数的控制，他们细致地探索了液晶弹性体的打印过程。

“其实一开始我们并没有想到通过打印参数来控制液晶弹性体的行为，是在实验中发现不同的打印参数会给材料最后的变形造成很大影响，所以才决定转变研究课题的方向。”李冰倩表示。

2020 年，基于用单参数编程液晶弹性体行为，该团队对打印速度对液晶弹性体整体变形行为的控制进行了研究，并在 ACS Applied Materials & Interfaces 上发表了相关论文[2]。

谈及本次研究成果相较上篇论文成果取得的突破，李冰倩表示：“在本次成果中，我们不仅考虑到了打印速度、挤出压力、打印高度和紫外光光强等打印参数，还将这几个关键的参数进行了编程，并做了一个类似于逻辑门的排列组合与控制，通过不同逻辑门的组合，就可以定制所需的变形特性。”

图丨多参数编码 4D 打印的原理解释（来源：Additive Manufacturing）

在对多个参数进行共同编程的过程中，研究团队发现，每一个参数都会影响液晶弹性体单个时间的流量。如果只调整好其中一个参数，而没有调整好另外一个，那么两者之间的相互耦合作用就会影响最终的打印质量。

因此，他们在探究相互作用影响的过程中，遇到了诸多问题。最后，通过长时间的实验和模拟分析，才掌握了相关规律。

该研究作为工艺方面的基础性研究，不管是对 4D 打印还是 3D 打印来说，固定参数都是必不可少的。

“虽然我们现在仅仅对液晶弹性体进行了探究，但从中得到的参数规律应该也能在其他长链分子型聚合物上得到应用。”李冰倩表示。

接下来，该团队计划运用工艺参数对材料影响的规律，研究一些比较独特的驱动行为。

“可能这种驱动行为和目前已经报道的所有驱动行为都不一样，其不需要外界能源的供给，也不需要控制温度场、光场等。它会像我们的心脏一样进行自发地跳动，以维持生命系统的正常运行。”李冰倩最后说。

参考资料：

1. L.,Ren, Y.,He, L.,Ren.et al. Multi-parameter-encoded 4D printing of liquid crystal elastomers for programmable shape morphing behaviors. Additive Manufacturing 61,103376（2023）. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860422007655

2. L.,Ren, B.,Li，Y.,He.et al. Programming Shape-Morphing Behavior of Liquid Crystal Elastomers via Parameter-Encoded 4D Printing. ACS Applied Materials & Interfaces 15562–15572 （2020）. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c00027#