用于3D打印无机械接头柔性设备的墨水

EPFL研究人员的目标是使用基于弹性体的墨水来3D打印具有局部改变机械性能的物体的下一代软执行器和机器人，从而消除对繁琐的机械接头的需要。

对于从事软机器人或可穿戴设备研究的工程师来说，保持物品轻便是一个持续的挑战：较重的材料需要更多的能量来移动，并且对于可穿戴设备或假肢来说会引起不适。

弹性体是合成聚合物，可以制造出具有从刚性到弹性的一系列机械性能的材料，这使得它们成为此类应用的流行材料。但迄今为止，制造可成型为从刚性到橡胶的复杂3D结构的弹性体仍然不可行。

“弹性体通常是铸造的，因此它们的成分在短长度范围内的所有三个维度上都不会改变。为了克服这个问题，我们开发了DNGE：可3D打印的双网络颗粒弹性体，可以将其机械性能改变到前所未有的程度，”EstherAmstad，洛桑联邦理工学院工程学院软材料实验室主任。

伊娃·鲍尔，博士Amstad实验室的一名学生使用DNGE打印了一个“手指”原型，其中包括被柔性“肉体”包围的刚性“骨骼”。手指被打印成以预先定义的方式变形，展示了该技术在制造足够柔软以弯曲和拉伸的设备上的潜力，同时保持足够坚固以操纵物体。

凭借这些优势，研究人员相信DNGE可以促进软执行器、传感器和可穿戴设备的设计，而无需笨重的机械接头。该研究发表在《先进材料》杂志上。

两个弹性体网络，通用性加倍

DNGE多功能性的关键在于设计两个弹性体网络。首先，弹性体微粒由水包油乳液滴产生。这些微粒被放置在前体溶液中，它们吸收弹性体化合物并膨胀。

然后，溶胀的微粒被用来制造3D打印墨水，将其加载到生物打印机中以创建所需的结构。前体在3D打印结构内聚合，形成第二个弹性体网络，使整个物体变硬。

第一个网络的组成决定了结构的刚度，而第二个网络则决定了其断裂韧性，这意味着两个网络可以独立进行微调，以实现刚度、韧性和抗疲劳性的组合。

与水凝胶(最先进的方法中使用的材料)相比，使用弹性体具有创建无水结构的额外优势，使其随着时间的推移更加稳定。最重要的是，可以使用市售3D打印机打印DNGE。

“我们方法的优点在于，任何拥有标准生物打印机的人都可以使用它，”阿姆斯塔德强调说。

DNGE的一个令人兴奋的潜在应用是用于运动引导康复设备，其中支持一个方向的运动同时限制另一个方向的运动的能力可能非常有用。

DNGE技术的进一步发展可能会产生假肢，甚至是辅助外科医生的运动指南。传感远程运动，例如机器人辅助农作物收割或水下探索，是另一个应用领域。

Amstad表示，软材料实验室已经在致力于通过将响应材料和电气连接等活性元素集成到DNGE结构中来开发此类应用。