3D打印作為新興的先進(jìn)制造技術(shù)，在器件構(gòu)筑上具有精確制備、自由設(shè)計(jì)以及一步成型等優(yōu)點(diǎn)。因此，通過設(shè)計(jì)一種可打印的水凝膠材料，利用其濕度響應(yīng)性，制備3D打印水凝膠驅(qū)動(dòng)變形器件，不僅能充分發(fā)揮3D打印在微結(jié)構(gòu)制備方面的優(yōu)勢(shì)，而且對(duì)于拓展其在變形器件領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。 

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所王曉龍研究員團(tuán)隊(duì)采用數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)，通過構(gòu)筑不對(duì)稱微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了基于濕度刺激的水凝膠器件的制備和驅(qū)動(dòng)變形。以打印的樣條為例（圖1），通過在其表面一側(cè)構(gòu)筑垂直或傾斜于長度方向的微溝槽，樣條在濕度刺激下能夠?qū)崿F(xiàn)快速的彎曲或螺旋，并且通過調(diào)整溝槽的深度、傾斜角度或刺激時(shí)間，其彎曲或螺旋變形行為能夠?qū)崿F(xiàn)形態(tài)可控、可預(yù)期以及可設(shè)計(jì)。 

圖1. DLP 3D打印可控形變水凝膠示意圖 

更加復(fù)雜的形態(tài)變化如圖2所示。利用3D打印在自由設(shè)計(jì)和成形方面的優(yōu)勢(shì)，研究人員實(shí)現(xiàn)了仿生變形器件從一維線條向三維類石斛蘭花朵的形態(tài)轉(zhuǎn)變，或從二維的平面花朵向三維風(fēng)車的形態(tài)轉(zhuǎn)變，以及從三維八爪柱狀體向更加復(fù)雜的三維八爪魚或水輪機(jī)的形態(tài)轉(zhuǎn)變，充分展現(xiàn)了3D打印設(shè)計(jì)的靈活性和器件的復(fù)雜可控變形能力。 

更為重要的是，該變形器件的設(shè)計(jì)理念和水凝膠材料具有良好的通用性和兼容性，通過調(diào)節(jié)水凝膠組分，可推廣至其他刺激-響應(yīng)的水凝膠體系。如通過加入溫敏性的2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯(MEO2MA)作為前驅(qū)體水凝膠材料，利用3D打印制備的基于溫度刺激的抓取器能夠?qū)崿F(xiàn)快速的水下抓取、輸運(yùn)與釋放功能。該研究表明，與水凝膠結(jié)合的3D打印技術(shù)，在軟體機(jī)器人、智能變形器件方面存在著巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。 

圖2. 3D打印水凝膠實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而精確的仿生可控變形 

相關(guān)工作發(fā)表在Advanced Materials Technologies (2019, 4, 1800713; DOI: 10.1002/admt.201800713)上，王曉龍研究員為唯一通訊作者，博士研究生姬忠瑩為第一作者。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金和甘肅省科技計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。