螺旋结构在自然界中无处不在，螺旋结构具有独特的机械性能和多功能性。到目前为止，模拟这些自然系统的合成结构是通过缠绕、扭曲和编织等方式实现的。 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) 图案中创建具有亚体素控制的多材料、螺旋结构的细丝。哈佛大学Lewis团队开发旋转多材料3D打印（RM-3DP）技术可实现异质螺旋亚三维结构，该技术能够对方位异质结构细丝的局部方向进行亚体素控制。 该研究技术以题为“Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control”的文章发表于Nature上。
本期谷.专栏，将分享以上相关研究论文的主要内容。
相关研究发表在Nature上。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05490-7
研究亮点
根据论文，哈佛大学Lewis团队开发的RM-3DP技术主要具备两个特性：(1)具有非均匀亚体素控制特征的多材料喷嘴，(2) 允许多个压力控制喷嘴自由旋转打印头设计。这种喷嘴具有“壳-扇芯”几何结构，其中通过扇芯元件产生异构结构。通过这种具有特殊内部特征的喷嘴，使得RM-3DP这种3D打印技术可以进一步实现复杂性更高和功能性更强的特殊结构。
RM-3DP技术可以直接从外壳-风扇芯喷嘴共同挤压两种粘弹性墨水，同时形成介电外壳和螺旋几何形状的导电三维结构组件。介电弹性体组件由柔软的丙烯酸聚合物组成，导电油墨则为含有炭黑颗粒的聚合物。在施加的电压下，3D打印的导电三维结构会出现轴向驱动和扭转。根据制备时所采用的角速度不同，其表现出的电驱动行为也不同，例如当螺旋角降至45°以下时，预计会发生从可收缩应变到可拉伸应变的转变。
旋转多材料3D打印
© Nature
通过以角平移速度的受控比率连续旋转多材料喷嘴，哈佛大学Lewis团队在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挤出喷嘴。
旋转多材料3D打印
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使用这种集成方法，哈佛大学Lewis团队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。 哈佛团队还制造了分层晶格结构，包括结构化的螺旋支柱，包含刚性弹簧的柔性矩阵结构。
旋转多材料3D打印
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RM-3DP增材制造技术为在仿生结构中生成多功能材料开辟了新途径。利用RM-3DP技术还可以生成结构不同复合材料，通过这一技术可以将坚硬的丙烯酸弹簧嵌入柔软的丙烯酸基体中，通过3D打印由刚性和柔软组成的亚三维晶格结构，动态紫外线固化可减少材料接触时之间的相互扩散。
旋转多材料3D打印
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通过调控3D打印过程的角速度，可以制造出具有不同力学性能的细丝。通过RM-3DP增材制造技术，可以设计每一个晶格框架的力学性能，实现差异化和结构化打印。
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