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作為研究領域中的一個新興領域，軟機器人技術自從出現(xiàn)以來就備受3D打印廠商的青睞。如今，3D打印已成為軟機器人領域中完全集成的制造過程。
但是在面對全打印的軟機器人制造時，3D打印還存在著一些不足，其中一個就是：缺乏打印軟機器人所需的高性能材料。
以色列希伯來大學的Ela Sachyani Keneth等人在《Advanced Materials》上發(fā)表了一篇題為“用于軟機器人的3D打印材料”的綜述文章。
文章中仔細討論了用于3D打印的高性能材料，并總結了用于3D打印軟機器人所需的材料，其中包括高性能的柔性和可拉伸材料、水凝膠、自修復材料和形狀記憶聚合物。
高性能的柔性和可拉伸材料
兼具這兩種特點的3D打印材料主要有PVC和TPE。PVC材料多指聚氯乙烯，是一種含氯的碳氫化合物；TPE材料，又名熱塑性彈性體，屬于碳氫化合物，兼有塑料和橡膠兩種特性。
PVC材料曾是世界上產量大的通用塑料，應用于諸多領域，如日用品、地板革、人造革、管材、電線電纜、包裝膜、瓶。而TPE材料作為新一代的合成橡膠，其應用范圍沒有PVC那么廣泛，不過目前TPE材料已開始取代部分傳統(tǒng)合成橡膠，應用領域不斷擴大。
作為新一代材料，TPE在機械性能、硬度、比重、環(huán)保等多個方面都要優(yōu)于PVC材料。目前市面上，美國特諾爾愛佩斯(Teknor Apex Company)的TPE材料很受用戶的喜愛，主要材料型號有：Medalist MD-84348、Medalist MD-8431、Medalist MD-84368。
水凝膠
水凝膠，有時也叫做膠體凝膠，是一類極為親水的三維網(wǎng)絡結構凝膠，可以在水中迅速溶脹并在溶脹狀態(tài)時保持大量體積的水而不溶解。
類似于生物軟組織，水凝膠具有獨特的微環(huán)境(高含水量和通透性)和自適應的特點，不僅適用于3D打印軟機器人，更是在調濕劑、傷口敷料、食品保鮮劑及柔性電子器件等多個領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。但傳統(tǒng)的水凝膠的力學性能一般，導致其實際應用很是受限。
幸運的是，在2020年11月30日，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究員王曉龍及其團隊通過構筑雙物理交聯(lián)網(wǎng)絡實現(xiàn)了超高強韌水凝膠的 3D 打印，這一研究成果極大地擴大了水凝膠的實際應用。
隨著技術的不斷研發(fā)，不同材料制成的水凝膠也逐漸出現(xiàn)，展現(xiàn)出了很多新的特性，例如自愈、多重刺激反應、超濕潤性等。
新型自修復材料
二十世紀六十年代，“自我修復材料”的設想就已經出現(xiàn)，但由于它的實現(xiàn)技術太過于復雜，導致這種新型材料是始終只是一種假設。直到進入21世紀，隨著技術的突破與進展這種新型材料才開始出現(xiàn)在大眾面前。
自修復材料是一種通過模擬生物體損傷自修復的機理，在材料受損時能夠進行自我修復的智能材料。
這種材料有兩種不同的修復機理，一種是將自修復材料注入到聚合物內，當物體開裂時，注入的材料就會釋放出來，對受損的物體表面進行自動修復；另一種當物體被損壞時，通過加熱、光照等方式向材料提供能量，使其發(fā)生結晶、成膜或交聯(lián)等作用來實現(xiàn)修復。
自修復材料的應用范圍極為廣泛，包括電子產品、汽車、飛機、建筑材料等領域，其中以其在智能手機和平板電腦屏幕上的應用廣受關注(避免因平面損壞而重復更換電子設備)。
目前，市面上用于3D打印的自修復材料有幾種型號，其中包括：Argotec公司(美)生產的ArgoGUARDSelect 49510-60DV-AM、Polymer Dynamix公司(美)生產的EverGlide 1908和洛德公司(美)生產的Thermoset Plastics SC-139。
雖然起步較晚，但隨著研究人員的持續(xù)投入、研發(fā)，截至目前已經在3D打印的自修復材料取得了很多突破。
在我國，南京大學化學化工學院自修復材料課題組在該領域取得了很大進展。該單位投身于功能化自修復材料的研究，課題組成員將自修復材料引入到3D打印中，有效解決了兩個問題：產品在打印過程中受損問題和打印機無法打印比自身尺寸更大產品的問題。
此前不久，南加州大學Viterbi工學院研究員們開發(fā)了一種新型的3D打印橡膠材料，可以實現(xiàn)材料的自我修復功能。利用該材料可以在20分鐘內打印出一個完整的物體，當這種材料被切成兩半后，在60攝氏度下，它只需2個小時就可完全愈合，恢復其強度和功能，該速度遠遠超出了已有的自修復材料。
雖然目前自修復材料更多的還是處于研究階段，但隨著科技的進步，相信用不了多久，將會有更多用于3D打印的自修復材料進入市場，給3D打印行業(yè)帶來新的活力。
形狀記憶聚合物
形狀記憶聚合物(SMP)，又稱為形狀記憶高分子，是指具有初始形狀的制品在在外界環(huán)境條件(溫度、光照、濕度等)變化的刺激下，可恢復其初始形狀的高分子材料。
由發(fā)現(xiàn)至今，國內外學者發(fā)現(xiàn)了多種具有該功能的材料，其中包括：環(huán)氧、苯乙烯、氰酸酯、聚酰亞胺、聚苯乙烯等。
目前，用于3D打印的形狀記憶聚合物材料還不太多。近的一次是去年9月份，哈佛大學工程與應用科學學院(SEAS)的研究人員宣布開發(fā)出一種3D打印材料，該材料可以預先編程為具有可逆的形狀記憶功能，其主要材料為主原纖維角蛋白，纖維的恢復效率幾乎達到了100%。
雖然目前形狀記憶聚合物材料種類還很有限，但其已經在多個領域凸顯出了巨大應用潛力一定會激勵著國內外的研究員持續(xù)地研發(fā)。此外，作為可變形材料的一種，形狀記憶聚合物材料也將助力于4D打印，為生物醫(yī)療領域的進一步發(fā)展提供了新的契機。
3D打印能夠以相對簡單的方式形成復雜結構的特點，能極大地減少軟機器人的生產步驟，同時降低生產成本。如今，3D打印已然成為制造軟機器人的一種常用且廣泛使用的技術。
2021年1月7日，通過采用3D打印技術，天津大學團隊打印出了一種可定制的模塊式軟體機器人，能夠比以前更靈活地檢查管道。
雖然目前還存在缺少3D打印軟機器人高性能材料的不足，但隨著技術的不斷進步，一定會有各種各樣的高性能材料出現(xiàn)，屆時就可以使用各種3D打印技術打印軟機器人。
時代在不斷進步、科學在不斷發(fā)展，相信用不了多久，3D打印軟機器人研發(fā)方面，就會有更多的成果傳來，未來3D打印的軟機器人將會成為人類生產、生活中重要的組成部分。
(原標題：支撐3D打印軟機器人的四大核心材料)
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