随着外部刺激和流体压力驱动的微型形变软体执行器的快速发展，这些技术在变形材料和小型软体机器人领域显示出了巨大的潜力。然而，实现既能丰富变形又能快速锁定形状的执行器面临诸多挑战。传统的宏观软体液压执行器在小型化为轻便的亚毫米厚度形式时面临制造难题，特别是在高分辨率和复杂网络通道的微流体通道制造方面。传统的模具方法限制了毫米级通道的制造，即使是最近的高分辨率微流体软体执行器的制造技术也常常成本高昂，需要复杂的多步骤微制造或精心定制的材料配方和处理。此外，由于大多数刺激响应和液压软体执行器具有完全可逆的驱动响应，在机器人操作和形状变形应用中通常能量效率低下，因为它们需要消耗额外的能量来保持抓取的物体或维持变形的形状。
在此背景下，北卡罗莱纳州立大学尹杰团队报告了一种全3D打印的亚毫米薄板状微型液压软体执行器，该执行器具有形状记忆效果，能够实现可编程的快速形变和形状锁定。这种执行器结合了商用高分辨率多材料3D打印技术，包括刚性形状记忆聚合物和软性弹性体，并在单次打印中直接打印微流体嵌入弹性体中的二维/三维微流体通道。
图1：基于多材料3D打印工艺的微流道柔性执行器的制造以及其形状记忆特性描述
在本研究中，研究团队提出了一种全3D打印的薄板状微型液压软体执行器，该执行器具有形状记忆效应，能够实现精细和非侵入性的操作、可编程的形变、形状锁定和形状恢复。这种微型软体执行器具有亚毫米厚度，由嵌入微流体通道的软性弹性体层和限制应变的刚性SMP层组成。通过PolyJet打印方法使用商用多材料3D打印机（Stratasys Objet 260）直接打印亚毫米级尺寸。微流体通道通过替换固体支撑材料为不固化流体直接打印，从而消除了传统3D打印中在微流体通道内溶解支撑材料的耗时且具有挑战性的步骤。
研究团队展示了这种可编程快速微型软体执行器的概念验证应用，如能够抓取活蚂蚁和人类头发的非侵入性和精细软体抓手，以及多模式卷须状软体操作器。此外，通过利用形状记忆锁定抓取的形状，实现了能量高效的软体抓手。具体实验中，研究团队展示了利用复合材料的空间图案化和微流体通道网络的扩展异质性，实现了多种液压驱动形变，包括圆形、波浪形、螺旋形、鞍形和翘曲形状，具有各种曲率。这些变形可以通过激活形状记忆效应暂时锁定，并反复恢复到原始平面形态。
图3：3D打印微型液压柔性驱动器的变形与形状记忆效果展示
该研究以“Fully 3D-Printed Miniature Soft Hydraulic Actuators with Shape Memory Effect for Morphing and Manipulation” 为题发表于Advanced Materials (AM)。北卡罗莱纳州立大学尹杰教授为该论文通讯作者，博士研究生清海涛和赤银鼎博士为共同第一作者，其他作者还包括洪尧烨博士，赵耀博士，博士研究生漆方杰和李艳滨博士。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202402517
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