特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。螺旋结构在自然界中普遍存在，并赋予其独特的机械性能和多功能。到目前为止，模拟这些自然系统的合成结构已经通过缠绕、扭曲和编织单个细丝、微流体、自成型和打印等方法制造出来。然而，这些制造方法无法同时在任意2D和3D图案中从广泛的材料中创建和绘制具有子体素控制的多材料螺旋结构丝。为了实现这一目标，为了实现这一目标，最近报道了多材料和旋转3D打印的结构丝；然而，这两种能力的融合还有待实现。有鉴于此，哈佛大学Jennifer A. Lewis报告了一个旋转多材料3D打印(RM-3DP)平台，该平台能够对方位异质结构细丝的局部方向进行亚体素控制。通过连续旋转具有可控角速度和平移速度比的多材料喷嘴，在给定的圆柱体素内创建了具有可编程螺旋角、层厚和几种材料之间的界面面积的螺旋细丝。利用这种集成方法，制备了由高保真的螺旋介电弹性体驱动器和嵌入介电弹性体基体中的可单独寻址的导电螺旋通道组成的功能性人工肌肉。还在一个柔顺的矩阵中制造了由包含刚性弹簧的建筑用螺旋支柱组成的分层晶格。该增材制造平台为在生物启发基元中生成多功能的结构材料开辟了新的途径。本工作的RM-3DP方法结合了两个实现特征:(1)具有方位非均匀亚体素特征的多材料喷嘴和(2)允许几个压力控制的油墨库以及喷嘴自由旋转的打印头设计。RM-3DP平台可用于三种配置，每一种构型都由打印头旋转轴(θP)和灯丝沉积(θD)相对于水平的角度来确定。为了证明在动态中局部编程亚体素化细丝方向的能力，作者打印了具有ω*梯度、ω*开关和交替手性的1D细丝。通过在离散位置(即仅在角落)旋转打印头产生的2D方形螺旋图案进一步突出了该平台的功能。
图 具有可编程亚体素控制的建筑细丝旋转多材料3D打印
为了证明制造功能性纤维的能力，设计并打印了螺旋介电弹性体致动器(HDEA)纤维，该纤维具有离散的、可单独寻址的螺旋导电通道，具有高螺旋角、薄层和嵌入介电弹性体基质中的高多材料界面面积。当静电力压缩螺旋图案电极之间的介电弹性体膜时，HDEA可以设计成显示收缩响应。HDEA细丝是通过垂直打印，使用5毫米直径的壳扇芯喷嘴和动态UV固化制备的。在不需要扭转的应用中，可以设计具有周期性交替手性的HDEA，使其局部扭转与邻近扭转相反，而不影响总体可达到的轴向应变。
为了生成结构复合材料，打印了由刚性和软亚体单元组成的建筑“弹性”细丝和3D网格。作者发现弹性细丝的拉伸力学行为可以通过改变ω*来调整。作者还打印了由弹性细丝组成的木桩结构形式的分层3D网格，作者计划将功能材料集成到这些复杂的架构中。
Larson, N.M., Mueller, J., Chortos, A. et al. Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control. Nature (2023).DOI：10.1038/s41586-022-05490-7https://doi.org/10.1038/s41586-022-05490-7
