Nat. Commun.：液态金属复合物材料助力4D打印软体机器人

一、【导读】

4D打印代表了增材制造中的前沿技术，其中最初静态的3D打印材料会随着时间的推移而发生形状转换。这种先进的4D打印技术彻底改变了材料设计和制造，特别是软机器人领域。传统的3D打印聚合物对光、电和磁场等外部刺激的反应有限，限制了它们在4D打印应用中的应用。由于其优异的物理特性，如导电性、光热性、磁性等，将刚性纳米粒子集成到软机器人中似乎为提高软机器人的刺激响应能力提供了一种实用的解决方案。然而，刚性纳米粒子掺杂的软机器人面临着一些障碍，包括降低了软机器人的灵活性，不可避免地增加了材料的机械硬度，进而限制了它们的形状恢复和变形能力。

 二、【成果掠影】

近日，澳大利亚昆士兰大学乔瑞瑞研究员、Thomas P. Davis教授与英国南安普顿大学唐诗杨副教授将可逆加成-断裂链转移聚合剂接枝到液态金属纳米颗粒（LMNPs）上，成功地应用于紫外光介导的立体3D打印和近红外光响应4D打印。通过一锅法在3D打印树脂中直接制备球形液态金属纳米颗粒，为制备液态金属-聚合物复合材料（LMPCs）提供了一种简单有效的策略。与刚性纳米颗粒不同，纳米颗粒的柔软和液体性质降低了3D打印材料的玻璃化转变温度、拉伸应力和模量。这种方法能够实现复合材料的光热诱导4D打印，如3D打印复合材料的程序化形状记忆所证明的那样，在60s内快速恢复到其原始形状 。这项工作为液态金属-聚合物复合材料在4D打印中的应用提供了一个视角，展示了它们在软机器人领域的应用潜力。研究成果以题为“3D-printed liquid metal polymer composites as NIR-responsive 4D printing soft robot”发表在知名期刊Nature Communications上。

三、【核心创新点】

通过整合RAFT链转移试剂可以制备单分散、稳定液态金属纳米颗粒，并将其用于3D打印复合材料，随后通过整合其光热响应以及形状记忆能力，对于3D打印液态金属聚合物复合材料在软机器人的应用进行了进一步研究，验证了其不限于抓取释放以及双稳态转变的功能性。

四、【数据概览】

图1  RLMNPs的制备和表征 © 2023 Springer Nature

（a）在乙醇溶液中通过超声制备RLMNP示意图。

（b-d）RLMNPs的TEM图片、DLS测量的直径、元素mapping图像。

（e-g）LMNPs、RAFT试剂和RLMNPs的表面电位、UV吸收光谱以及FTIR光谱。

图2  LMPCs的3D打印及表征 © 2023 Springer Nature

（a）以TPO为光引发剂，TBAm为单体，PEGDA为交联剂，RLMNPs为RAFT剂，制备3D打印复合物（LMPCs）的示意图。

（b）使用RLMNP的3D打印物体的SEM照片和EDS元素图。

（c）3D打印LMPCs中RLMNP的SEM照片和EDS元素图谱。

（d）使用立体3D打印技术制造了悉尼歌剧院模型。

（e）LMPCs和不含RAFT制剂的LMPCs的机械性能。

（f）含有不同浓度RLMNPs（0、0.5、1和2 wt%）的LMPCs的机械特性。

图3  使用不同单体制造LMPCs及其表征 © 2023 Springer Nature

（a）分别以HEAAm、HEAm、TBAm和DMAm为主要单体，在不同的液体树脂中制备RLMNPs。

（b）不同单体液体树脂中RLMNPs的TEM照片。

（c）用DLS测量液体树脂中不同单体的RLMNPs的粒度分布直方图。

（d）测定了使用不同单体的3D打印LMPCs的机械性能以及20℃时3D打印物体的储能模量。

图4  具有1 wt% RLMNPs的LMPCs的NIR响应4D打印 © 2023 Springer Nature

（a）光热诱导4D打印示意图。

（b-c）光热效应和3D打印复合材料的恢复角（%）。

（d）808nm激光照射60s后3D打印LMPCs的形状恢复过程。

（e）通过开启/关闭激光可控地恢复3D打印材料的形状。

（f）激光照射下螺旋物体的形状恢复过程。

（g）LMPCs在NIR响应4D打印前后的机械性能。

图5  使用1 wt% RLMNPs进行NIR响应式4D打印的应用 © 2023 Springer Nature

（a）形状记忆聚合物在重复编程和光诱导4D打印中的再循环过程。

（b）用808 nm激光照射LMPCs 60s 25个循环后，其恢复角随时间的变化。

（c）4D打印引发的举重过程。

（d）在808 nm激光照射下，3D打印的LMPCs在表面放置不同重量倍数（0、3、5和6）的物品时的恢复角。

图6  3D打印LMPCs作为NIR响应软机器人的应用 © 2023 Springer Nature

（a-b）通过NIR响应LMPCs释放物体的示意图和演示。

（c-d）使用NIR光控LMPCs抓取和释放物体的示意图和演示。

（e-f）旋转结构在NIR光照后转变为原始形状的图示和演示。

五、【成果启示】

该工作成功开发了一种将液态金属纳米颗粒集成到3D打印树脂中的多功能方法，从而制造出具有降低机械强度、出色光热性能和形状记忆能力的高分辨率液态金属聚合物复合材料。它展示了卓越的可重复性、强大的举重和先进的软体机器人功能，预示着机器人、医疗工具和执行器的巨大潜力。

原文详情：3D-printed liquid metal polymer composites as NIR-responsive 4D printing soft robot (Nat. Commun. 2023, 14, 7815)

本文由大兵哥供稿。