用机器人“打印”能随温度变形的智能材料

4D打印形状变化材料能够制造出可响应外部刺激主动重构形状的结构，在变形结构、软体机器人、生物医学设备和航空航天系统等领域应用广泛。此前，液晶弹性体（LCEs）因具备大尺度、可逆且快速的驱动能力，以及类似生物肌肉的比功容量，成为4D打印的热门材料。但现有基于挤出的打印方法中，液晶基元的排列主要局限于2D平面，导致LCE结构的形变多为简单弯曲或扭转，限制了其应用潜力。而共形3D打印虽能在非平面基底上沉积材料，却尚未有效应用于LCE的4D打印，主要挑战在于缺乏同时生成打印路径和法向量的算法，以确保打印喷嘴垂直于基底，保证液晶基元均匀排列和驱动性能稳定。

本研究开发了一种机器人共形4D打印技术，采用六轴机械臂驱动的直接墨水书写（DIW）系统。核心在于一套算法，能同时生成打印路径、点法向量和控制代码，精确引导机械臂的运动与旋转，支持在各打印层定义用户自定义的任意 filament 图案。该算法先通过STL文件定义基底几何（可来自数学方程、CAD模型或3D扫描），再用Möller-Trumbore算法生成含坐标和法向量的点云，将2D打印图案投影到3D表面，并生成机械臂的空间坐标和旋转角控制代码。

实验中，研究了影响LCE驱动行为的关键参数：喷嘴与基底夹角需保持垂直以获得最大驱动应变（达58%）；打印速度为5mm/s时，液晶基元有序参数最佳（0.43）；喷嘴温度45°C时打印的单畴LCE具有可逆驱动能力，95°C时则为多畴状态，虽无驱动但具备良好吸能特性。通过该技术，在半球（正高斯曲率）、鞍形（负高斯曲率）和环形（零高斯曲率）等不可展表面上，采用方向平行或轮廓平行等不同图案共形打印LCE，样品在加热（至110°C）和冷却循环中均表现出可逆形变，有限元分析（FEA）结果与实验变形趋势一致。例如，半球面上轮廓平行打印的LCE样品加热后从穹顶变为锥形，鞍形表面上沿主曲率方向打印的样品则基本保持原有几何形状。

该技术还拓展至未知表面：通过3D扫描鸡蛋表面，在其脆弱表面共形打印多畴LCE保护层，从30厘米高度掉落至金属台面后鸡蛋完好无损，其吸能性能优于商用聚氨酯材料。此外，在3D打印的热塑性聚氨酯（TPU）半球壳内表面打印单畴LCE，并嵌入铜线通过焦耳加热驱动，制成了能在单向摩擦基板上爬行的软体毛毛虫机器人。

综上，该机器人共形4D打印技术突破了传统LCE 4D打印的2D平面限制，拓展了设计空间，可广泛应用于防护涂层、结构修复、软体机器人等领域，未来结合拓扑优化有望开发出更多新型驱动模式。