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作為研究領(lǐng)域中的一個(gè)新興領(lǐng)域，軟機(jī)器人技術(shù)自從出現(xiàn)以來就備受3D打印廠商的青睞。如今，3D打印已成為軟機(jī)器人領(lǐng)域中完全集成的制造過程。
但是在面對全打印的軟機(jī)器人制造時(shí)，3D打印還存在著一些不足，其中一個(gè)就是：缺乏打印軟機(jī)器人所需的高性能材料。
以色列希伯來大學(xué)的Ela Sachyani Keneth等人在《Advanced Materials》上發(fā)表了一篇題為“用于軟機(jī)器人的3D打印材料”的綜述文章。
文章中仔細(xì)討論了用于3D打印的高性能材料，并總結(jié)了用于3D打印軟機(jī)器人所需的材料，其中包括高性能的柔性和可拉伸材料、水凝膠、自修復(fù)材料和形狀記憶聚合物。
高性能的柔性和可拉伸材料
兼具這兩種特點(diǎn)的3D打印材料主要有PVC和TPE。PVC材料多指聚氯乙烯，是一種含氯的碳?xì)浠衔?；TPE材料，又名熱塑性彈性體，屬于碳?xì)浠衔?，兼有塑料和橡膠兩種特性。
PVC材料曾是世界上產(chǎn)量大的通用塑料，應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如日用品、地板革、人造革、管材、電線電纜、包裝膜、瓶。而TPE材料作為新一代的合成橡膠，其應(yīng)用范圍沒有PVC那么廣泛，不過目前TPE材料已開始取代部分傳統(tǒng)合成橡膠，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。
作為新一代材料，TPE在機(jī)械性能、硬度、比重、環(huán)保等多個(gè)方面都要優(yōu)于PVC材料。目前市面上，美國特諾爾愛佩斯(Teknor Apex Company)的TPE材料很受用戶的喜愛，主要材料型號(hào)有：Medalist MD-84348、Medalist MD-8431、Medalist MD-84368。
水凝膠
水凝膠，有時(shí)也叫做膠體凝膠，是一類極為親水的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠，可以在水中迅速溶脹并在溶脹狀態(tài)時(shí)保持大量體積的水而不溶解。
類似于生物軟組織，水凝膠具有獨(dú)特的微環(huán)境(高含水量和通透性)和自適應(yīng)的特點(diǎn)，不僅適用于3D打印軟機(jī)器人，更是在調(diào)濕劑、傷口敷料、食品保鮮劑及柔性電子器件等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。但傳統(tǒng)的水凝膠的力學(xué)性能一般，導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用很是受限。
幸運(yùn)的是，在2020年11月30日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王曉龍及其團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)筑雙物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了超高強(qiáng)韌水凝膠的 3D 打印，這一研究成果極大地?cái)U(kuò)大了水凝膠的實(shí)際應(yīng)用。
隨著技術(shù)的不斷研發(fā)，不同材料制成的水凝膠也逐漸出現(xiàn)，展現(xiàn)出了很多新的特性，例如自愈、多重刺激反應(yīng)、超濕潤性等。
新型自修復(fù)材料
二十世紀(jì)六十年代，“自我修復(fù)材料”的設(shè)想就已經(jīng)出現(xiàn)，但由于它的實(shí)現(xiàn)技術(shù)太過于復(fù)雜，導(dǎo)致這種新型材料是始終只是一種假設(shè)。直到進(jìn)入21世紀(jì)，隨著技術(shù)的突破與進(jìn)展這種新型材料才開始出現(xiàn)在大眾面前。
自修復(fù)材料是一種通過模擬生物體損傷自修復(fù)的機(jī)理，在材料受損時(shí)能夠進(jìn)行自我修復(fù)的智能材料。
這種材料有兩種不同的修復(fù)機(jī)理，一種是將自修復(fù)材料注入到聚合物內(nèi)，當(dāng)物體開裂時(shí)，注入的材料就會(huì)釋放出來，對受損的物體表面進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)；另一種當(dāng)物體被損壞時(shí)，通過加熱、光照等方式向材料提供能量，使其發(fā)生結(jié)晶、成膜或交聯(lián)等作用來實(shí)現(xiàn)修復(fù)。
自修復(fù)材料的應(yīng)用范圍極為廣泛，包括電子產(chǎn)品、汽車、飛機(jī)、建筑材料等領(lǐng)域，其中以其在智能手機(jī)和平板電腦屏幕上的應(yīng)用廣受關(guān)注(避免因平面損壞而重復(fù)更換電子設(shè)備)。
目前，市面上用于3D打印的自修復(fù)材料有幾種型號(hào)，其中包括：Argotec公司(美)生產(chǎn)的ArgoGUARDSelect 49510-60DV-AM、Polymer Dynamix公司(美)生產(chǎn)的EverGlide 1908和洛德公司(美)生產(chǎn)的Thermoset Plastics SC-139。
雖然起步較晚，但隨著研究人員的持續(xù)投入、研發(fā)，截至目前已經(jīng)在3D打印的自修復(fù)材料取得了很多突破。
在我國，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院自修復(fù)材料課題組在該領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展。該單位投身于功能化自修復(fù)材料的研究，課題組成員將自修復(fù)材料引入到3D打印中，有效解決了兩個(gè)問題：產(chǎn)品在打印過程中受損問題和打印機(jī)無法打印比自身尺寸更大產(chǎn)品的問題。
此前不久，南加州大學(xué)Viterbi工學(xué)院研究員們開發(fā)了一種新型的3D打印橡膠材料，可以實(shí)現(xiàn)材料的自我修復(fù)功能。利用該材料可以在20分鐘內(nèi)打印出一個(gè)完整的物體，當(dāng)這種材料被切成兩半后，在60攝氏度下，它只需2個(gè)小時(shí)就可完全愈合，恢復(fù)其強(qiáng)度和功能，該速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了已有的自修復(fù)材料。
雖然目前自修復(fù)材料更多的還是處于研究階段，但隨著科技的進(jìn)步，相信用不了多久，將會(huì)有更多用于3D打印的自修復(fù)材料進(jìn)入市場，給3D打印行業(yè)帶來新的活力。
形狀記憶聚合物
形狀記憶聚合物(SMP)，又稱為形狀記憶高分子，是指具有初始形狀的制品在在外界環(huán)境條件(溫度、光照、濕度等)變化的刺激下，可恢復(fù)其初始形狀的高分子材料。
由發(fā)現(xiàn)至今，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)了多種具有該功能的材料，其中包括：環(huán)氧、苯乙烯、氰酸酯、聚酰亞胺、聚苯乙烯等。
目前，用于3D打印的形狀記憶聚合物材料還不太多。近的一次是去年9月份，哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的研究人員宣布開發(fā)出一種3D打印材料，該材料可以預(yù)先編程為具有可逆的形狀記憶功能，其主要材料為主原纖維角蛋白，纖維的恢復(fù)效率幾乎達(dá)到了100%。
雖然目前形狀記憶聚合物材料種類還很有限，但其已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域凸顯出了巨大應(yīng)用潛力一定會(huì)激勵(lì)著國內(nèi)外的研究員持續(xù)地研發(fā)。此外，作為可變形材料的一種，形狀記憶聚合物材料也將助力于4D打印，為生物醫(yī)療領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的契機(jī)。
3D打印能夠以相對簡單的方式形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，能極大地減少軟機(jī)器人的生產(chǎn)步驟，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。如今，3D打印已然成為制造軟機(jī)器人的一種常用且廣泛使用的技術(shù)。
2021年1月7日，通過采用3D打印技術(shù)，天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)打印出了一種可定制的模塊式軟體機(jī)器人，能夠比以前更靈活地檢查管道。
雖然目前還存在缺少3D打印軟機(jī)器人高性能材料的不足，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，一定會(huì)有各種各樣的高性能材料出現(xiàn)，屆時(shí)就可以使用各種3D打印技術(shù)打印軟機(jī)器人。
時(shí)代在不斷進(jìn)步、科學(xué)在不斷發(fā)展，相信用不了多久，3D打印軟機(jī)器人研發(fā)方面，就會(huì)有更多的成果傳來，未來3D打印的軟機(jī)器人將會(huì)成為人類生產(chǎn)、生活中重要的組成部分。
(原標(biāo)題：支撐3D打印軟機(jī)器人的四大核心材料)
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