自然界中的材料很少是直的。在我们的身体中，蛋白质组装成螺旋丝，使我们的肌肉收缩。植物改变形状是因为纤维素纤维在其细胞壁内呈螺旋状排列。
试图模仿构成生物系统的螺旋结构的科学家必须创造新的工具，这些工具可以精确地对具有可编程局部组成、结构和特性的不同材料进行图案化。
哈佛大学JohnA.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。
该团队的研究发表在《自然》杂志上。
“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HansjorgWyss仿生工程教授、该研究的资深作者JenniferLewis说。
刘易斯也是维斯研究所的核心教员。
他们的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。
“旋转多材料打印使我们能够生成具有精确控制结构和最终性能的功能性螺旋丝和结构晶格，”SEAS的博士后研究员和该研究的第一作者NatalieLarson说。
该团队与ExtendedTarrFamily材料教授DavidClarke合作，以螺旋介电弹性体致动器细丝的形式打印了人造肌肉，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。
该团队还设计了具有不同刚度的结构格子，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打印方法的能力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，”Larson说。