近日，中國科學技術大學工程科學學院、人形機器人研究院的李木軍副教授，聯合張世武教授等研究人員，在智能材料3D打印領域取得重要進展。研究團隊提出復合冷場3D打印技術，成功制備具有高取向序參數和多元形變能力的近環境溫度響應液晶彈性體(NAT-LCEs)，并基于此開發出心率監測精度顯著提升的智能腕帶系統。成果以“3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation”為題發表于期刊《美國化學學會納米雜志》(ACS Nano)上。
 

　　液晶彈性體作為新型智能材料，在軟體機器人、生物醫學設備和可穿戴電子領域具有重要應用價值。傳統液晶彈性體存在響應溫度高(>70℃)、制造工藝可編程性受限等瓶頸，嚴重制約其實際應用。開發具有近環境溫度響應特性且可精密加工的新型液晶彈性體，成為該領域亟待突破的關鍵科學問題。針對該問題，研究團隊創新性地提出“低溫噴頭+冷卻平臺”復合冷場協同調控策略，取得了多項技術突破：1、液晶基元取向的精準控制：通過5℃低溫打印環境維持墨水高粘度，利用剪切力誘導液晶基元高度定向排列，使取向序參數較傳統室溫打印方法提升30倍以上。2、多元形變編程：實現鞍形、錐形、英文字母等復雜結構可逆變形。3、生物兼容應用：材料響應溫度適配人體耐受范圍，成功開發可主動貼合皮膚的智能心率監測腕帶系統。
 

圖1 復合冷場3D打印系統工作原理示意圖
 

　　本研究打印的結構展現良好環境自適應特性：圓盤樣品在室溫自發形成馬鞍形，10℃時曲率增大，60℃條件下變為錐形。通過動態調溫實現梯度編程，“USTC”字母等結構通過分層控溫編程實現精準卷曲變形。研究團隊還探討了該技術在精準醫療領域的應用。集成液態金屬電路的液晶彈性體腕帶在PID溫控下主動貼合手腕，顯著提高了測量精度并降低了噪聲，1000次疲勞測試性能無衰減，促進了軟機器人技術、生物醫學儀器和可穿戴電子設備的發展。
 

圖2 可編程多元形變展示與應用
 

　　中國科學技術大學精密機械與精密儀器系碩士研究生李東曉、博士后孫宇軒為論文共同第一作者。李木軍副教授、張世武教授、孫宇軒博士后為共同通訊作者。中國科學技術大學蘇州高等研究院潘挺睿教授、澳大利亞伍倫貢大學李衛華教授為論文共同作者。該研究得到了科技部國家重點研發計劃、安徽省自然科學基金、“科大新醫學”聯合基金支持。部分實驗獲得了中國科學技術大學微納研究與制造中心、中國科學技術大學理化科學實驗中心等平臺支持。