研究背景
近年来，软机器人技术已成为一个迅速发展的前沿研究领域。软机器人以灵活性和连续变形能力著称，它从自然界中软体生物的运动机制中汲取灵感，以实现特定的机器人功能。这些机器人由柔韧有弹性的材料制成，能够模仿动物的自然运动。这些动物体内刚性、柔性和分级刚度部件被精确控制，以实现高效的运动和功能。
软机器人技术的一个极具潜力的发展方向是采用混合结构，这种结构将刚性和柔性机械部件相结合，来执行那些对于纯软性或纯刚性机器人来说难以完成的复杂任务。然而，混合结构软机器人的发展在很大程度上依赖于两个关键因素：软材料的进步和创新的制造方法。然而，目前的制造方法，如形状沉积制造、3D打印、激光切割、层压和模具铸造，通常涉及不同部件复杂的多步骤组装，且材料选择有限。因此，对高效的制造技术和功能材料的需求仍然很高，以推动该领域混合软刚性机器人的发展。
研究成果
近日，澳大利亚昆士兰大学Ruirui Qiao、Thomas P. Davis、Liwen Zhang报道了一种新型的直接一步增材制造（3D打印）法，用于制造由软部件和刚性部件组成的以完成复杂任务的的混合机器人。受可变形液态金属纳米颗粒（LMNPs）的启发，通过将不同形状的镓基纳米颗粒（GNPs）整合到3D打印聚合物中，开发了一种具有可调节机械性能和可变形性的功能材料工具包。然后，通过GNPs集成油墨的单一配方，展示了直接打印组装或单一混合软硬机器人的能力。这种方法能够通过定制的结构设计，精确控制机器人混合结构内的机械性能和形状记忆性能。通过设计和制造用于高精度夹具、仿生电机和手部康复装置的混合机器人，进一步证明了它们的能力。
相关研究工作以“4D Printing Hybrid Soft Robots Enabled by Shape-Transformable Liquid Metal Nanoparticles”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。
图文速递
图1. 可变形LMNPs的制备和表征。SLMNPs和RGNDs制备示意图(a)；SLMNPs的形态、元素分析(b)和结构表征(c)；RGNDs的形态、元素分析(d)和结构表征(e)；SLMNPs、RGNDs和GaOOH标准卡的XRD光谱(f)；EGaIn（块状LMs）、聚合物、SLMNPs和RGNDs的FT-IR光谱(g)。
图2. 3D打印GNPPCs的制造和表征。3D打印复合材料的示意图(a)；由1.5wt.%的SLMNPs或RGNDs组成的3D打印雪花(b)；SLMPCs和RGPCs的SEM和EDS图(c)；SLMPCs、RGPCs和不含LMNPs的3D打印聚合物的机械性能(d)。
图3. LMNPs的形状变化行为与3D打印GNPPCs力学性能之间的关系。水热处理下LMNPs形状变化的示意图(a)；不同处理时间下LMNPs的照片、TEM和EDS图(b)；含有不同处理时间的LMNPs的3D打印拉伸试样(c)；含有不同处理时间的LMNPs的3D打印材料的SEM图(d)和机械性能(e)。
图4. SLMPCs、RGPCs和不含LMNPs的3D打印材料的近红外响应4D打印。在近红外光照射下3D打印复合材料的光热效应(a)和恢复角(b)随时间的变化；4D打印前后SLMPCs和RGPCs的图和照片(c)；选择性近红外响应旋转双稳器件的示意图和演示(d)；没有近红外光响应能力的旋转双稳态器件的示意图和演示(e)；在近红外光照射下含有LMNPs的GNPPCs的光热效应(f)和恢复角(g)随时间的变化；4D打印后不同处理时间的含LMNPs的GNPPCs的形状恢复(h)。
图5. 一步法3D打印混合软机器人的应用。近红外光照射下含SLMNPs和RGNDs的3D打印杂化复合材料的选择性形状变化(a)；在近红外光照射下智能混合3D打印GNPPCs的近红外响应式铲斗提升演示(b)；近红外光照射下近红外响应机车软机器人原理图及演示(c)；HGNPCs作为潜在的外部可穿戴辅助应用的示意图和演示(d)。
结论与展望
通过控制LMNPs的形状变化，研究者创建了一个具有受控机械性能的多功能材料工具包，用于4D打印混合软机器人。这种混合软机器人结合了软部件和刚性部件，通过直接一步3D打印方法制造，实现了定制化的几何设计和快速数字制造，同时减少了人工干预。将可变形的LMNPs集成到3D打印的GNPPCs中，对打印速度的影响最小，却能精确控制3D打印物体的机械性能。LMNPs的光热特性赋予3D打印物体在4D打印过程中的形状记忆特性。
GNPPCs的机械性能和光热性能的差异，为制造具有复杂功能和运动能力的混合软机器人开辟了一条途径。利用3D打印的一步法直接制造，研究者设计和制造了能够举起物体、模仿哺乳动物运动和康复医疗设备的混合软机器人。由于其易于制造和广泛适用性，设想开发的GNPPCs将有可能彻底改变混合软材料领域，从而加速软机器人的创新。尽管如此，未来的研究应当聚焦于提升3D打印技术和设计策略，特别是增加3D打印复合材料中金属基纳米粒子的比例，以进一步增强响应性能，最终实现混合软机器人性能的全面提升。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202409789
