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中國科大李木軍團隊 ACS Nano：復合冷場3D打印液晶彈性體實現(xiàn)近環(huán)境溫度響應，智能手環(huán)精準監(jiān)測心率！
2025-02-18  來源：高分子科技

  近日，中國科學技術大學工程科學學院及人形機器人研究院的李木軍研究團隊提出一種復合冷場3D打印技術，成功制備具有高取向序參數(shù)和多元形變能力的近環(huán)境溫度響應液晶彈性體（NAT-LCEs），并基于此開發(fā)了一種具有增強心率監(jiān)測精度的腕帶系統(tǒng)。該技術促進了軟機器人技術、生物醫(yī)學設備和可穿戴電子設備的發(fā)展。成果以"3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation"為題發(fā)表在國際期刊《ACS Nano》上。



  近環(huán)境溫度響應液晶彈性體（NAT-LCEs）因其在生物兼容設備、低功耗器件和軟體機器人領域的巨大潛力而備受關注。然而，傳統(tǒng)制造方法在可編程性（如模塑成型法）或取向序參數(shù)（如直接墨水書寫3D打印法）等方面存在明顯局限。針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊提出了一種復合冷場3D打印技術，成功實現(xiàn)了高性能NAT-LCEs的可編程打印，顯著提升了近環(huán)境溫度響應液晶彈性體的取向序參數(shù)，并賦予其復雜形狀成型和形變能力。

技術突破亮點

3000%性能飛躍


  傳統(tǒng)液晶彈性體需要70℃以上高溫才能變形，嚴重制約實際應用。研究團隊創(chuàng)新性地采用"低溫噴嘴+冷卻平臺"雙冷場調控：

  1.取向序參數(shù)提升3000%（0.013→0.406）

  2.實現(xiàn)室溫自發(fā)3D成型與雙向形變

  3.開發(fā)出能主動貼合皮膚的智能監(jiān)測腕帶


三大創(chuàng)新突破


  1.精準分子操控：通過5℃低溫打印精確控制與鎖定液晶基元排列

  2.智能形變編程：打印結構可隨溫度變化呈現(xiàn)螺旋、鞍形、"USTC"字母等復雜變形

  3.生物兼容應用：材料響應溫度完全適配人體耐受范圍


圖1：復合冷場3D打印系統(tǒng)原理


  本研究的核心技術突破在于創(chuàng)新的溫度場調控系統(tǒng)。通過液冷打印頭（5℃）與半導體冷卻平臺（5℃）協(xié)同作用，在墨水擠出階段通過低溫維持高粘度促進液晶分子定向排列，在UV固化階段快速散熱避免熱擾動。對比傳統(tǒng)室溫打印圖（D），新方法使液晶基元取向序參數(shù)提升30倍。


圖2. 溫度對NAT-LCE材料性能的調控規(guī)律


  研究團隊系統(tǒng)揭示了溫度-剪切力-材料性能的耦合機制。流變實驗顯示：冷場顯著增強剪切誘導排列效果。通過調控噴嘴溫度（Tn）與平臺溫度（Tp）組合，可實現(xiàn)從各向同性（Tn=25℃，Tp=25℃）到高度取向（Tn=5℃，Tp=5℃）的精確調控，對應形變應變從0%躍升至37.3%，為復雜結構編程奠定基礎。


圖3. 可編程多元形變展示


  基于溫度響應相變特性，打印結構展現(xiàn)多元形變：圓盤狀樣品在室溫下自發(fā)形成馬鞍形（應變14%），降溫至10℃曲率增大，加熱至60℃則變?yōu)殄F形；正交排列的雙層結構呈現(xiàn)可逆螺旋變形；網(wǎng)格結構在20-60℃區(qū)間展示出雙向伸縮特性。這種"環(huán)境自適應"特性使其在軟體機器人領域具有應用潛力。


圖4：梯度性能智能材料制備


  通過動態(tài)調節(jié)打印溫度，實現(xiàn)單件樣品內的性能梯度分布。以"USTC"字母結構為例：通過分層打印時改變溫度參數(shù)，使頂層產(chǎn)生收縮應變，底層保持穩(wěn)定，在60℃水中呈現(xiàn)精準可控的卷曲變形。有限元模擬與實驗高度吻合，證實該技術可制備復雜功能器件。


圖5. 智能心率監(jiān)測腕帶系統(tǒng)


  集成液態(tài)金屬加熱電路的LCE腕帶展現(xiàn)可穿戴設備應用：PID溫控系統(tǒng)使材料在50℃時產(chǎn)生收縮力，使腕帶主動貼合手腕。實測數(shù)據(jù)顯示，收緊狀態(tài)下顯著提高了測量精度并降低了噪聲，1000次疲勞測試后性能無衰減。這項技術為可穿戴設備帶來"自適應穿戴"新范式。


  中國科學技術大學李木軍副教授、張世武教授、孫宇軒博士后為論文通訊作者，碩士研究生李東曉，孫宇軒博士后為論文共同第一作者。正如通訊作者李木軍所言：“這項突破讓智能材料真正擁有了''環(huán)境感知力''，我們將繼續(xù)探索其在人機交互、康復醫(yī)療等領域的深度應用。”


  論文信息

  標題：3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation

  期刊：ACS Nano

  鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15521

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（責任編輯：xu）
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