中国科大提出液晶弹性体的复合冷场3D打印技术

近日，中国科学技术大学工程科学学院、人形机器人研究院的李木军副教授，联合张世武教授等研究人员，在智能材料3D打印领域取得重要进展。研究团队提出复合冷场3D打印技术，成功制备具有高取向序参数和多元形变能力的近环境温度响应液晶弹性体（NAT-LCEs），并基于此开发出心率监测精度显著提升的智能腕带系统。成果以“3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation”为题发表于期刊《美国化学学会纳米杂志》（ACS Nano）上。

液晶弹性体作为新型智能材料，在软体机器人、生物医学设备和可穿戴电子领域具有重要应用价值。传统液晶弹性体存在响应温度高（>70℃）、制造工艺可编程性受限等瓶颈，严重制约其实际应用。开发具有近环境温度响应特性且可精密加工的新型液晶弹性体，成为该领域亟待突破的关键科学问题。针对该问题，研究团队创新性地提出“低温喷头+冷却平台”复合冷场协同调控策略，取得了多项技术突破：1、液晶基元取向的精准控制：通过5℃低温打印环境维持墨水高粘度，利用剪切力诱导液晶基元高度定向排列，使取向序参数较传统室温打印方法提升30倍以上。2、多元形变编程：实现鞍形、锥形、英文字母等复杂结构可逆变形。3、生物兼容应用：材料响应温度适配人体耐受范围，成功开发可主动贴合皮肤的智能心率监测腕带系统。

图1.复合冷场3D打印系统工作原理示意图

本研究打印的结构展现良好环境自适应特性：圆盘样品在室温自发形成马鞍形，10℃时曲率增大，60℃条件下变为锥形。通过动态调温实现梯度编程，“USTC”字母等结构通过分层控温编程实现精准卷曲变形。研究团队还探讨了该技术在精准医疗领域的应用。集成液态金属电路的液晶弹性体腕带在PID温控下主动贴合手腕，显著提高了测量精度并降低了噪声，1000次疲劳测试性能无衰减，促进了软机器人技术、生物医学仪器和可穿戴电子设备的发展。

图2.可编程多元形变展示与应用

中国科学技术大学精密机械与精密仪器系硕士研究生李东晓、博士后孙宇轩为论文共同第一作者。李木军副教授、张世武教授、孙宇轩博士后为共同通讯作者。中国科学技术大学苏州高等研究院潘挺睿教授、澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授为论文共同作者。该研究得到了科技部国家重点研发计划、安徽省自然科学基金、“科大新医学”联合基金支持。部分实验获得了中国科学技术大学微纳研究与制造中心、中国科学技术大学理化科学实验中心等平台支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c15521