螺旋结构在自然界中无处不在，具有独特的机械性能和多功能性。到目前为止，已经可以通过缠绕、扭曲和编织单个细丝模拟这些自然系统的合成结构。然而，这些制造方法无法同时在来自广泛材料的任意二维 (2D) 和三维 (3D) 图案中创建和图案化具有亚体素控制的多材料、螺旋结构的细丝。

为了实现这一目标，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院和哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员开发了一种用于制造螺旋丝的旋转多材料3D打印方法。使用这种新方法，该团队设计并制造了人造肌肉和弹性格子，用于软机器人和结构应用。

该研究发表在《自然》最新一期杂志上。

研究人员开发了一个旋转多材料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。通过以角平移速度的受控比率连续旋转多材料喷嘴，在给定圆柱体素内的几种材料之间创建了具有可编程螺旋角、层厚度和界面面积的螺旋灯丝。

使用这种集成方法，研究人员制造了由具有高保真度的螺旋介电弹性体致动器和嵌入介电弹性体基质中的可单独寻址的导电螺旋通道组成的功能性人造肌肉。这些细丝可以在施加的电压下收缩。导电电极形成缠绕在软弹性体基质中的螺旋，通过调整这些螺旋电极盘绕的紧密程度，可以对这些致动器的收缩响应进行编程。

“我们的增材制造平台为在仿生图案中生成多功能建筑材料开辟了新途径，” SEAS的Hansjorg Wyss仿生工程教授、该研究的资深作者Jennifer Lewis说。

新打印头由四个墨盒组成，每个墨盒可以包含不同的材料。然后将墨水通过一个复杂的喷嘴输送，该喷嘴允许同时打印多种材料。当喷嘴旋转和平移时，挤出的墨水形成具有嵌入螺旋特征的细丝。

该团队还设计了具有不同刚度的结构晶格，方法是将坚硬的螺旋弹簧嵌入柔软、柔顺的矩阵中——就像软床垫中的金属弹簧一样。材料的整体刚度可以通过调整矩阵内弹簧的松紧度来调整。这些可调螺旋结构可用于制造软机器人系统中的关节或铰链。

接下来，该团队的目标是利用这种新颖的3D打印方法来创建更复杂的结构。“通过设计和制造具有更极端内部特征的喷嘴，可以进一步提高这些分层仿生结构的分辨率、复杂性和性能，”SEAS博士后研究员、该研究的第一作者Natalie Larson说。

螺旋结构在自然界中无处不在，具有独特的机械性能和多功能性。到目前为止，已经可以通过缠绕、扭曲和编织单个细丝模拟这些自然系统的合成结构。然而，这些制造方法无法同时在来自广泛材料的任意二维 (2D) 和三维 (3D) 图案中创建和图案化具有亚体素控制的多材料、螺旋结构的细丝。

为了实现这一目标，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院和哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员开发了一种用于制造螺旋丝的旋转多材料3D打印方法。使用这种新方法，该团队设计并制造了人造肌肉和弹性格子，用于软机器人和结构应用。

该研究发表在《自然》最新一期杂志上。

研究人员开发了一个旋转多材料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。通过以角平移速度的受控比率连续旋转多材料喷嘴，在给定圆柱体素内的几种材料之间创建了具有可编程螺旋角、层厚度和界面面积的螺旋灯丝。

使用这种集成方法，研究人员制造了由具有高保真度的螺旋介电弹性体致动器和嵌入介电弹性体基质中的可单独寻址的导电螺旋通道组成的功能性人造肌肉。这些细丝可以在施加的电压下收缩。导电电极形成缠绕在软弹性体基质中的螺旋，通过调整这些螺旋电极盘绕的紧密程度，可以对这些致动器的收缩响应进行编程。

“我们的增材制造平台为在仿生图案中生成多功能建筑材料开辟了新途径，” SEAS的Hansjorg Wyss仿生工程教授、该研究的资深作者Jennifer Lewis说。

新打印头由四个墨盒组成，每个墨盒可以包含不同的材料。然后将墨水通过一个复杂的喷嘴输送，该喷嘴允许同时打印多种材料。当喷嘴旋转和平移时，挤出的墨水形成具有嵌入螺旋特征的细丝。

该团队还设计了具有不同刚度的结构晶格，方法是将坚硬的螺旋弹簧嵌入柔软、柔顺的矩阵中——就像软床垫中的金属弹簧一样。材料的整体刚度可以通过调整矩阵内弹簧的松紧度来调整。这些可调螺旋结构可用于制造软机器人系统中的关节或铰链。

接下来，该团队的目标是利用这种新颖的3D打印方法来创建更复杂的结构。“通过设计和制造具有更极端内部特征的喷嘴，可以进一步提高这些分层仿生结构的分辨率、复杂性和性能，”SEAS博士后研究员、该研究的第一作者Natalie Larson说。