在过去的几十年中，增材制造中的复合材料生产问题受到越来越多的关注，尤其是可以同时整合刚性和柔性机械组件以用于执行复杂任务的复合材料。然而，其软、硬材料的兼容性问题，以及一体成型的增材制造技术仍具备极大的阻碍。基于镓铟合金的液态金属材料，凭借其柔性，高导电性，以及优秀的光热性质在电子设备，可穿戴设备，可拉伸水凝胶和软机器人等领域吸引了大量的关注。通过对其导电性之以及流动性的充分应用，许多具有高导电性、可拉伸性、自愈合性以及形状转变能力的软机器人被开发出来。
然而，液态金属的魅力远不止如此，它还拥有一种独特的变形的能力。在氧化和水解过程的驱动下，表面配体修饰的液态金属纳米颗粒发生从球状纳米颗粒转化为棒状结构的可控形变。最近，澳大利亚昆士兰大学乔瑞瑞团队携手中科院长春应用化学所的陈学思与庞烜教授团队，开发了一种全新的变形液态金属纳米颗粒掺杂的用于执行复杂任务的复合机器人（柔性与刚性材料有机结合的复合型机器人）。
研究表明，球状的液态金属纳米颗粒可以简单地在RAFT聚合物的辅助下通过超声的方式制备，后续可以在长期的储存或者通过加热等方式获得均一的基于镓的棒状纳米材料。同时，作者对这两种纳米颗粒与3D打印技术的相容性，包括其打印分辨率、打印参数、纳米材料的掺杂比例以及对应3D打印材料的机型性能等参数进行了深入的阐明与讨论。结果表明，两种颗粒都展现出良好的3D打印相容性。让人惊喜的是，该团队发现球状纳米颗粒可以有效的增加材料的柔性，同时具备更低的玻璃化转变温度。然而，棒状纳米颗粒的掺杂显著增强了材料的机械性能（包括玻璃化转变温度、储存模量、拉伸应力以及杨氏模量）。同时该团队还对液态金属纳米颗粒的自发变形过程进行了深入研究。不同时间处理的液态金属纳米颗粒展现出阶段性的复合形貌、元素组成以及良好的3D打印相容性。一系列结果表明，液态金属纳米颗粒的自发变形过程具有高度可控性，从而为调控3D打印材料的机械性能以及其他性能提供了极大的便利与优势。
图1. 纳米颗粒掺杂的3D打印物体的制备与表征。 (a) 3D 打印复合材料的示意图，该复合材料使用 TPO 作为光引发剂、TBAm 作为单体、PEGDA 作为交联剂以及 1.5 wt% 球状液态金属纳米颗粒或棒状纳米颗粒制成；(b) 由 1.5 wt% 球状液态金属纳米颗粒或棒状纳米颗粒组成的 3D 打印雪花；(c) 球状液态金属纳米颗粒或棒状纳米颗粒的SEM 照片和EDS元素映射；检测到的元素包括Ga和In；(d) 球状液态金属纳米颗粒或棒状纳米颗粒和不含液态金属纳米颗粒 的 3D 打印复合材料的机械性能。
图2. 一步式 3D 打印混合软机器人的应用。（a）含有 SLMNPs 和 RGNDs 的 3D 打印混合复合材料在 NIR 光照射（lmax = 808 nm，0.3 W/cm2）下的选择性形状变化。（b）智能混合 3D 打印复合材料在 NIR 光照射（lmax = 808 nm，0.3 W/cm2）下 NIR 响应提升的演示。NIR 响应手臂由 SLMPC 组成，无响应抓手由 RGPC 组成。（c）NIR 光照射（lmax = 808 nm，0.3 W/cm2）下 NIR 响应机车软机器人的示意图和演示。NIR 响应“肌肉”由 SLMPC 组成，“肢体”由 RGND 组成，以提供足够的支撑。（d）HGNPC 作为潜在的外部可穿戴辅助应用的示意图和演示。
4D打印，在3D打印的基础上引入时间作为第四维度，指3D打印的材料能够响应环境刺激而变形成为不同的形式。其中光热诱导的形状变化作为一种便捷，支持远程操控的响应形式受到广大科研工作者的关注。同时，液态金属纳米颗粒也因其优异的光热性能被广泛的开发。研究表明，液态金属的纳米颗粒的光热性能随着形貌变化逐渐下降，直到棒状颗粒的完全产生，光热性能彻底消失。利用这种独特的光热性能差异，该团队展示了基于此两种纳米颗粒构建了一种旋转双稳态结构，展现了其在构建复杂材料的应用。最后，该团队使用一体打印技术，制备了同时包含球状和棒状液态金属纳米颗粒的复合材料，并展示了其在选择性4D打印中的表现。结果表明，球状材料部分具备出色的4D打印能力，展现出光热响应的形状记忆性能；而棒状材料则未表现出明显的形状记忆性质，但由于其增韧效果，棒状材料在抗形变和编程能力方面表现优异。基于这种复合材料，团队进一步设计和开发了多种软机器应用，如抓手装置、近红外响应型驱动软机器人以及可穿戴辅助设备。
论文信息：
4D Printing Hybrid Soft Robots Enabled by Shape-Transformable Liquid Metal Nanoparticles
Xumin Huang, Liwen Zhang*, Jiangyu Hang, Thomas Quinn, Naufal Kabir Ahamed Nasar, Yiliang Lin, Chenyang Hu, Xuan Pang, Xuesi Chen, Thomas P. Davis*, Ruirui Qiao*.
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.202409789
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Advanced Materials
期刊简介
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