Java|《Nature》子刊：多材料3D打印研究突破！实现大体积异质3D物体生成( 三 ) 数据库

图3:数字材料的CM 3D打印。 a、b格纹板用正交黑线和白色方块来考察两种材质过渡变焦的大小。 c在白板上嵌入黑色字符的打印字母。 (c)中的比例尺， 10mm 。 d印刷数字材料的概念。比例尺在(d):左， 5mm;右， 1mm 。 e不同硬聚合物含量的数字材料模量变化。 f在不同位置显示多种力学性能的打印样品的演示。比例尺(f) ，10mm 。 4D打印手的演示:设计(g) ，打印工件(h) ，浸入水中1小时(i)和6小时(j)后手指弯曲。 (h-j)比例尺， 10mm 。 CM 3D打印带有多个传感器的软驱动器CM 3D打印系统可以直接3D打印软气动执行器(SPA) ，其中弯曲、压力和温度传感器无缝集成(图4a) 。整个SPA可以在一次3D打印中使用五种不同的聚合物制成，包括可拉伸弹性体、硬聚合物、软聚合物、导电水凝胶和ICE(图4b、补充图15和补充表3) 。图4c展示了打印的SPA的快照，其中三个传感器连接到电线。在8 kPa的膨胀压力下， SPA弯曲至80°(图4d) 。在图4e中，由于SPA的气囊压缩压力传感器，弯曲过程导致弯曲传感器的电阻增加，同时接触传感器的电容略有增加。相反，温度传感器的电阻保持不变。当坚硬的障碍物阻碍了SPA的弯曲时，由于施加在SPA上的接触力更高，膨胀压力的上升导致压力传感器的电容增加(图4f) 。温度的升高导致温度传感器的电阻减小，而压力传感器的电容增大(图4g) 。为了充分展示具有多种传感功能的SPA的实用性，我们组装了三个SPA来制作一个软机器人夹具(图4h) 。当柔软的机器人夹持器抓取什么东西、鸭子和橙子时，弯曲传感器和压力传感器的响应不同，而温度传感器的电阻是恒定的(图4i视频8) 。当机器人夹持器抓取温暖或热的物体(图4j)时，温度传感器的电阻也相应变化(图4k) ，这可以用来解耦温度对压力传感器的影响(补充图16) 。

图4:多传感器软执行器CM 3D打印。带有多个传感器的SPA示意图。 b用于形成SPA不同部分的材料。 c打印SPA的快照。 d膨胀压力与SPA弯曲角度的关系。 e三个传感器在施加充气压力时的响应。 f当SPA接触刚性障碍物时压力传感器的响应。 g温度和压力传感器在温度升高时的响应。 h抓取不同物体的软机器人抓手的快照。 i ，(h)抓手抓取物体时三个传感器的读数。 j抓取不同温度物体的机器人软抓手快照。 k夹持器在(j)中抓取物体时三个传感器的读数。 (c h j)中，比例尺为10mm 。陶瓷-聚合物结构的CM 3D打印CM 3D打印系统还可打印由陶瓷和聚合物组成的异质3D结构。我们将陶瓷颗粒混合到丙烯酸树脂中制备陶瓷树脂，丙烯酸树脂在3D打印过程中转化为固体陶瓷绿体，可以与丙烯酸酯弹性体部分形成坚固的界面键合(图5a) 。在对由弹性体和陶瓷绿体组成的混合试样进行单轴测试时，试样在弹性体上断裂，表明界面比弹性体更强(图5b) 。 90°剥落试验结果证实了上述结论，测得的界面韧性约为1200 J/mm2 ，界面断裂呈内聚性(图5c ，补充图17) 。利用陶瓷坯体与弹性体之间的强界面结合，可以打印出具有悬垂件的复杂陶瓷结构。为了证明这种独特的能力，我们打印了一个陶瓷蜘蛛，其身体由固体弹性体部分支撑(图5d) 。烧结过程去除弹性体部分，留下具有悬垂体的陶瓷蜘蛛。为了进一步证明我们制造工程部件的方法的影响，我们设计了一个陶瓷轴承，其中在滚子和内/外圈之间必须有空白空间，以便轴承可以自由旋转(图5e) 。为了支撑这些独立的滚轮，我们设计并打印了弹性体来填充空白空间(补充图18) 。烧结过程去除弹性体(图5f) ，使滚珠轴承可以无阻力地自由旋转(视频9) 。图5g展示了陶瓷轴承连接金属轴和叶轮的涡轮。由于陶瓷轴承摩擦小，叶轮可以高速旋转(视频10) 。高热阻使陶瓷轴承能够在650°C下工作(图5h) ，其低热导率防止轴过热(图5i) 。