導讀：前段時間在與光速一構的交流中，對方提到3D打印液晶彈性體未來會大量用于制造人形機器人的肌肉，這個領域最近又有了新進展。

2026年6月4日，南極熊獲悉，哈佛大學的研究人員開發(fā)了一種旋轉噴頭多材料3D打印策略，可以將柔軟的、毛發(fā)狀的細絲變成可編程的人造肌肉，能夠根據溫度變化做出可控的運動：彎曲、扭轉、膨脹或收縮。

這種細絲在機器人抓取器、主動過濾器和生物醫(yī)學材料等領域具有潛在的應用價值。

相關成果以題為“Rotational 3D printing of active–passive filaments and lattices with programmable shape morphing”的論文發(fā)表在《PNAS》期刊上。本研究由哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院“漢斯約格·維斯生物啟發(fā)工程教授”詹妮弗·劉易斯博士的實驗室主導。論文第一作者是劉易斯實驗室的博士后研究員穆斯塔法·阿卜杜勒拉赫曼博士。

論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2537250123

這項研究展示了如何在單根絲材中并排打印活性液晶彈性體和被動彈性體。這種結構有效地預先設定了絲材的變形方式，使其在溫度變化時能夠以特定的方式彎曲、扭轉、膨脹或收縮。

自然界中存在許多纖細的結構，它們能夠彎曲、盤繞并以驚人的精度移動，例如攀援的葡萄藤、折疊的蛋白質，以及大象的長鼻——它們既能撿起花生，又能強健地折斷大樹。哈佛大學的研究團隊試圖在合成材料中重現這種生物控制的某些方面，旨在創(chuàng)造出比傳統(tǒng)打印彈性體能夠執(zhí)行更復雜運動的柔軟結構。

研究人員利用旋轉式多材料3D打印技術（由路易斯實驗室開發(fā)）制造出橫截面內結合了活性材料和被動材料的絲材。 活性材料是一種液晶彈性體，這是一種特殊的聚合物，加熱到轉變溫度以上時，可以沿特定的分子方向收縮。被動材料是一種柔軟的彈性體，它在溫度變化下仍能保持形狀，并起到機械導向的作用，引導絲材運動。

△旋轉多材料3D打印主動-被動絲材。(A) 通過定制的1毫米直徑噴嘴共擠出主動和被動彈性體墨水的示意圖。(B) 旋轉打印過程中墨水共擠出的延時圖像。(比例尺：1毫米)

通過旋轉噴嘴擠出兩種材料，研究團隊能夠將活性區(qū)域和被動區(qū)域精確地定位在每根絲材的整個橫截面上。由于液晶彈性體在加熱時會沿著其內部分子排列方向收縮，而被動彈性體則不會，因此即使是簡單的雙層絲材也能彎曲，因為一側會縮短，而另一側則保持阻力。打印過程中噴嘴的旋轉使得研究人員能夠在絲材中寫入螺旋狀分子排列，并定義其在激活時的彎曲或扭轉方式。這意味著可以在打印過程中對線材的最終溫度響應進行編程，而無需組裝多層或在制造后進行機械后處理。

△文章中的旋轉噴頭與南極熊最近報道的另一個旋轉噴頭混色打印有些類似

阿卜杜勒拉赫曼說道：“我看到這個非常漂亮的旋轉式3D打印平臺，就想：‘如果我們把活性材料插入到線材中，并進行圖案化處理，能否以此方式驅動形狀變化？”在加入路易斯實驗室之前，他曾用更復雜的方法制備過液晶彈性體薄片，并開始尋找更具定制化的方法。

為了驗證和預測材料的性能，研究團隊與哈佛大學物理系的L. Mahadevan教授（研究小組專門研究自然結構的力學）以及哈佛大學化學與化學生物學系的Joanna Aizenberg教授（它的實驗室協助表征了液晶彈性體的分子排列）合作。排列研究采用了位于美國紐約長島布魯克海文國家實驗室的X射線散射測量技術。

研究人員證明他們可以對單個細絲的形狀變化進行編程后，便將這些細絲作為構建更復雜結構的基本單元。他們打印出正弦曲線狀的細絲——或者說波浪狀的絲線——這些細絲乍看之下完全相同，但會根據活性液晶彈性體的位置而發(fā)生不同的形變。當活性彈性體打印在波浪曲率的外側時，熱量會使細絲伸直并膨脹；而當打印在內側時，同樣的加熱刺激則會導致細絲收縮。

研究團隊隨后將這些單元編織成平面晶格，以展示3D打印如何支持實際的軟體機器人功能。在一個演示中，研究人員制造了主動過濾器，加熱時過濾器會打開，允許球形顆粒通過；冷卻時過濾器會收縮，從而捕獲或支撐顆粒。在另一個演示中，他們制造了獨立的拾取放置夾具，可以將其放置在多根桿上，加熱后即可抓取并提起桿，冷卻后即可釋放桿。

△主動-被動格子用于過濾和抓取物體。(A) 安裝在亞克力框架內的擴展主動-被動晶格過濾器 (B) 過濾器示意圖，展示在低溫下捕獲物體（閉合狀態(tài)）和在高溫下釋放物體（打開狀態(tài)）。(C) 過濾器在加熱時從閉合狀態(tài)過渡到打開狀態(tài)。(D) 主動-被動格子捕捉和釋放球體。比例尺：對于(C和D)為10毫米。由收縮格子和亞克力手柄組成的取放夾具。 (F) 夾具示意圖，展示在加熱時捕獲物體和在冷卻時釋放物體。(G) 展示取放多個亞克力棒（直徑3.5毫米，長度6毫米）的延時圖像。(比例尺：25毫米)

另一項實驗采用了一種打印了交替膨脹和收縮區(qū)域的晶格結構。當在油浴中加熱時，結構變形為圓頂狀，與模擬預測的形狀非常吻合。研究人員也已開始評估這項技術的可擴展性。他們利用定制噴嘴和精心調配的墨水，打印出了直徑小至約100微米的細絲，并發(fā)現了進一步縮小尺寸的空間。

本研究的博士候選人兼合著者杰克遜·威爾特說道：“就可擴展性而言，未來可以制造出更復雜的噴嘴，并將其與其他材料集成——例如，使用液態(tài)金屬通道來實現驅動，或者集成其他功能。”

盡管液晶彈性體才剛剛開始應用于工業(yè)產品，但它們在軟體機器人、能量阻尼和生物醫(yī)學設備等領域已引起了廣泛的研究興趣。哈佛大學的研究團隊表示，這種打印技術有望推動人造肌肉材料走向實際應用。劉易斯說：這種絲材設計和打印框架可以加速人造肌肉材料從實驗室向現實世界技術的過渡。”

潛在應用包括可重構的軟體機器人抓取器，能夠同時抓取多個精細物體；具有溫度可調孔隙率和流道的活性過濾器和閥門；以及可相互鎖定形成多孔高表面積結構的纏繞式可注射細絲。在生物醫(yī)學領域，此類材料在需要快速凝血或組織支撐的場合具有應用價值。