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（来源：DeepTech深科技）
大象的鼻子可以轻轻夹起一粒花生，也能推倒一棵大树；豌豆的卷须会绕着支架盘旋生长；蛋白质链在细胞内折叠成精密的三维构型。这些细长的生物条状结构之所以能完成如此复杂的运动，根源在于其内部运动区域与结构区域的精妙排布。
数十年里，合成材料科学家一直试图复现这种“将运动编码进材料结构”的能力，却往往无法兼顾制造精度与可编程性。近日，哈佛大学一项发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的新研究给出了一个具有启发性的方案。研究团队将旋转 3D 打印平台与液晶弹性体相结合，开发出一类兼具主动变形能力与精确几何可控性的复合纤维，在软体机器人的抓取系统和智能过滤器中展示出巨大潜力。
机器人动力系统的未来，或许不是液压机或电机，而是一束比头发丝粗不了多少，但会思考、会感觉、会自动收缩舒张的智能肌肉纤维。
（来源：DOI: 10.1073/pnas.2537250123）
人工肌肉为何难造？
过去几年，人形机器人突然变得具体起来。波士顿动力的 Atlas 会后空翻、特斯拉 Optimus 能拧螺丝、Figure 的机器人在视频里还可以自主叠衣服。更有甚者，北京亦庄举办了机器人马拉松，三百多位机械之躯角逐真实城市跑道……
图 | 正在叠衣服的 Helix 机器人（来源：Figure）
你可能已经发现了，这些机器人身上最显眼的东西是外露的金属关节和液压管路，但在某些任务上，这些不够灵活柔韧的构件，恰恰也成了它们最大的局限。
问题出在驱动方式上。人类肌肉是一套极其精巧的软性系统，数以百万计的肌纤维协同收缩，可以轻柔地捏起一粒葡萄，也可以在瞬间爆发出足以撑起整个身体的力量。它们运作时悄无声息，无需外置能源管路，还能自我修复。而今天，绝大多数机器人的肢体活动依赖的是电机和液压缸，力量够大、控制够准，但本质上是刚性的，难以完成连续柔顺的运动，与人体或脆弱物体的安全接触更是系统性难题。
既然能仿照人类、动物的形态研发机器人，为何不能让驱动器本身变得像生物肌肉一样柔软、轻盈，既能产生复杂的三维形变，又能精确控制形变的方向和幅度？这个难题如果被解决，整个机器人的设计逻辑或许都将被重写，假肢、外骨骼、微创手术工具、以及任何需要在非结构化环境中与人共存的设备，也将迎来革命性的升级。
现有的柔性驱动方案包括气动弹性体、形状记忆合金、介电弹性体等，它们各有其局限：气动方案依赖外部气源，形状记忆合金应变量有限且响应较慢，介电弹性体则需要高压电场。
形形色色的短板之下，液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomer，LCE）成了近年来受到广泛关注的候选材料。这种特殊聚合物结合了液晶的各向异性，以及橡胶弹性体的可逆形变能力：当温度升至液晶的向列相-各向同性相转变温度（TNI）以上时，内部介晶基元的有序排列被打乱，材料沿其分子取向方向发生可逆收缩；冷却后，有序排列恢复，材料回弹。这一特性使其成为最接近人工肌肉的材料之一。
然而，LCE 的应用潜力长期受到制造工艺的制约。要让 LCE 产生定向、可控的形变，必须在制备过程中精确控制介晶基元的取向。常用方法包括机械拉伸对齐、外加磁场或电场诱导取向等，过程复杂，且依旧难以在三维空间中任意编程。
另一个关键问题是，单一的 LCE 材料只能在均一方向上收缩，若要产生弯曲、扭转等复合运动，就需要在同一结构中同时存在主动收缩区域和定向约束区域，可谓难上加难。
如何实现如此精密的材料设计？哈佛大学的詹妮弗·A·刘易斯（Jennifer A. Lewis）教授团队将目光投向他们早已深耕多年的先进 3D 打印领域。2023 年，詹妮弗的团队在《自然》（Nature）发文，首次展示了其自研的旋转多材料 3D 打印平台（Rotational Multimaterial 3D Printing，RM-3DP），这项技术通过旋转打印头，在单根纤维内部实现亚体素级别的材料分布控制，可用于制造螺旋形介电弹性体人工肌肉和弹簧格栅结构。
图 | 旋转多材料 3D 打印平台（来源：https://www.nature.com/a）
RM-3DP 平台的核心原理并不复杂，只是需要精密的工程设计：打印头包含多个墨水通道，各通道可装载不同材料；喷嘴本身可以在打印过程中持续旋转，旋转速度与打印移动速度的比值决定了材料在纤维截面中的螺旋排布方式。通过实时控制旋转速率与挤出速率，研究人员可以在每一段纤维的横截面上精确规定各种材料所占的位置与面积，从而在整根纤维的三维结构中预设多种材料的具体分布。
让材料会旋转还能回弹
一根细丝在加热后能自动弯曲，冷却后又复原，那么它的弯曲角度、扭转方向、伸缩幅度都应该在生产过程中就被确定下来。在这项研究中，为了让材料“记住”自己加热后的形状，研究团队构建了两种材料组成的复合体。
其中，上文介绍过的液晶弹性体（LCE）会在温度升高时收缩，冷却后则恢复初始形状；而与 LCE 并排挤出的是一种普通软弹性体，它在温度变化时几乎不产生形变，具有一定刚度。
单凭 LCE 本身，加热只会让它均匀地缩短，就像一根橡皮筋被拉长后松手，它只会沿原来的方向收回去，不会弯曲。弯曲发生的前提是纤维两侧的收缩程度不同，却又被迫连在一起。
大家可能都有过不小心弄湿书本的经历，纸张变干的过程中，湿的那一面干燥收缩后，书页会整齐地朝那一侧卷曲。LCE与被动弹性体的组合正是这个逻辑，一侧想缩，另一侧不动，纤维只能弯折。
要想让这根纤维发生三维形变，可以在打印过程中持续旋转喷嘴，使 LCE 的挤出方向像拧麻花一样螺旋排布。这相当于在纤维内部“写入”了一个螺旋形的分子取向场。
加热激活后，LCE 沿局部取向方向收缩，螺旋取向场使收缩在空间上产生扭矩，驱动纤维产生扭转形变。旋转速率越高，螺旋角越大，加热后纤维的扭转分量相对弯曲分量也越大。这意味着，只需要调整打印时的旋转速率参数，就能直接调控材料的变形状态。
研究人员通过理论框架，将纤维的自然曲率-扭率场与打印参数（旋转速率、材料分布）关联起来，这进一步提高了可控性，打印前即可通过模拟预测材料的形变行为。为了进一步验证模拟的可靠性，研究团队还借助布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的国家同步辐射光源 II（NSLS-II），这套工具能直接观察到 LCE 分子在纤维内的螺旋排布，结果显示，材料的最终形态与理论预测高度相符。
从单根纤维到复杂结构
这种材料最简单的形态是双层结构的单根纤维，LCE 在纤维一侧、弹性体在另一侧，加热时，两侧收缩量不同，纤维相应弯曲。如果旋转喷嘴，使 LCE 螺旋分布在整个截面，纤维在加热后就会同时弯曲和扭转，形状也变为卷曲的螺旋，有点像被拉开的弹簧。
图 | 可编程的形状变形（来源：DOI: 10.1073/pnas.2537250123）
验证了单根纤维编程的可行性，研究团队进一步将其作为构建复杂结构的基本单元。他们打印了正弦波形纤维：外形相同、弯曲的波浪状纤维，但 LCE 的位置不同。当 LCE 位于波峰的外侧（凸侧）时，加热使纤维趋于拉直、整体伸长；当 LCE 位于内侧（凹侧）时，同样的加热刺激反而使纤维进一步收缩、波形更深。
（来源：DOI: 10.1073/pnas.2537250123）
外观相同的打印件，内部材料分布不同，就可以实现截然相反的形变行为。这种同形异构效应正是让材料结构记住运动属性的精髓。
从正弦波形纤维出发，把它编织成平面格栅，就得到了更具想象空间的功能性结构材料。其一是主动过滤器。格栅中的膨胀型单元格受热后，孔隙打开，可容特定尺寸