《Research》：Integrated 3D Printing of Liquid Metal and Elastomer for Soft Robots and Electronics
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本研究针对软体机器人与可拉伸电子器件传统制造方法步骤繁琐、劳动密集的挑战，提出一种基于直写成型(DIW)技术的多材料3D打印新策略。该方法通过程序化交替打印弹性体与掺镍液态金属(NLM)层，实现了嵌入高电导率多层线圈的可拉伸结构一体化成型。研究人员成功一步制造了4层线圈软电磁驱动器(SEMA)及集成传感与驱动模块的自感知SEMA，并展示了其在感知抓取、仿生游动及集成传感方面的应用潜力。该策略简化了制造流程，为软体机器人和电子器件的多功能、小型化设计开辟了新途径。
想象一下，未来的机器人能像章鱼一样柔软地抓取易碎物品，电子皮肤能像人体皮肤一样随意弯曲拉伸。这背后，软体机器人和可拉伸电子技术正扮演着关键角色。它们通常由可拉伸的弹性体和嵌入其中的导电线圈构成，在驱动、传感和通信领域展现出巨大应用潜力。然而，梦想照进现实的道路上横亘着一道制造难题。传统的制造方法，例如模具浇注法和牺牲模板法，不仅步骤繁琐、依赖手工，还容易在材料中引入气泡、裂纹等缺陷，或者面临模板去除不彻底的风险。尽管已有研究尝试用3D打印技术来应对挑战，但要么使用的导电材料（如银浆、导电聚合物）电导率或拉伸性不及液态金属，难以满足软体机器人高功率运行的需求；要么只能单独打印导体或弹性体结构，无法实现真正的一体化制造。更棘手的是，液态金属本身具有高表面张力和类液体的流动性，这使得将多层液态金属线圈与弹性体一次性集成打印出来，至今仍是一个关键挑战。那么，能否找到一种方法，像搭积木一样，精准、直接地将高导电的“线路”和柔软的“身体”一步到位地打印成一个功能完整的软体机器“器官”呢？这正是发表在《Research》上的这项研究试图回答的问题。
为了突破上述瓶颈，研究人员开发了一套核心的多材料3D打印技术方案。该方法主要基于一台直写成型(DIW)打印机，通过程序控制，交替打印三种功能性“墨水”：用于构建基底和外围结构的定制弹性体复合材料(EPPC)、用于覆盖线圈的弹性体(ECO)，以及作为导电线路的掺镍液态金属(NLM)。其中，NLM墨水通过在液态金属中分散镍颗粒并超声处理制成，其流变学特性得到了关键性改良，从而具备了可打印性和形状保持能力。打印时，首先沉积EPPC形成基底，然后在其上打印第一层NLM线圈，并在该层末端垂直“堆叠”一个NLM锥体作为层间连接。接着，打印ECO层覆盖线圈（锥体顶端除外），固化后，再于其上开始打印下一层NLM线圈，如此循环，最终构建出多层线圈完全嵌入弹性体的整体结构。整个制造过程无需预制模具、移除模板或后续灌注，实现了真正的一体化成型。
研究结果
软电磁驱动器(SEMRs)的设计原理
研究以仿生鳐鱼软电磁机器人为例，阐述了其驱动策略与制造材料。其驱动基于洛伦兹力原理，即载流导体在外部磁场中受力的现象。通过编程沉积弹性体和NLM导电墨水，构建了一个模仿鳐鱼外形的整体结构，并将多层NLM线圈作为“人造肌肉”嵌入其鳍部。在均匀磁场中，通过切换线圈电流方向，可驱动机器人的鳍上下拍动，产生稳定的水下推进力。该机器人使用三种打印墨水：EPPC、ECO和NLM。
多材料3D打印工艺示意图
以一个方形双层线圈驱动器为例，详细演示了集成打印过程。首先打印并固化EPPC基底，然后在其上打印第一层NLM线圈，并在末端垂直打印NLM锥体以连接下一层。接着打印ECO层覆盖第一层线圈（锥尖除外），固化后再从露出的锥体开始打印第二层NLM线圈，最后用ECO层封装。多层结构的制造原理与此一致，通过交替沉积NLM和ECO覆盖层，并利用垂直打印的NLM锥体实现层间互连，从而完成具有多层线圈架构的驱动器的3D打印。
弹性体的机械性能
拉伸测试表明，3D打印的EPPC和ECO弹性体样品，其平均弹性模量和断裂伸长率与模具浇铸的样品具有高度一致性，统计学上无显著差异。这证明了3D打印工艺能够复现传统方法制备的弹性体的机械性能。此外，T型剥离测试显示，EPPC-EPPC、EPPC-ECO和ECO-ECO各界面间的粘附能均在350至850 J/m2范围内，表现出满足实际应用的 satisfactory adhesion performance。
打印墨水的流变学性能
流变学表征确认了各墨水适用于DIW打印的关键特性。EPPC墨水显示出明显的剪切稀化行为，初始粘度高，具备优异的形状保持能力。ECO和EPPC墨水在60°C加热下会逐渐固化，由液态转变为固态弹性体。原始的液态金属(LM)因高表面张力不适合直接打印，而掺入镍颗粒并经超声处理的NLM墨水粘度显著提高，并表现出优异的剪切稀化和触变恢复行为。其储存模量(G′)在低应变下高于损耗模量(G″)，表现出类固体行为，具有足够的屈服应力以确保挤出后保持形状。频率扫描和长期稳定性测试进一步证实了NLM墨水适合精密打印。
打印参数
研究系统探讨了打印速度、喷嘴直径对NLM线宽的影响，以及打印高度对线宽的微弱影响。使用410微米直径的喷嘴在4毫米/秒的打印速度下，可实现75微米的最小线宽。NLM线圈的最小可行线间距为200微米。此外，NLM可垂直打印形成高度达3毫米的锥体，用于稳定连接不同层的线圈。
NLM-弹性体结构的表征
拉伸结合电导率测试表明，嵌入弹性体中的NLM导线在高达200%的应变下仍能保持电导通，且其绝对电导率从0%应变时的1.15 × 106S/m单调增加至200%应变时的1.85 × 106S/m。对一个双层NLM线圈的驱动器进行循环驱动测试，在7赫兹方波电流驱动下持续运行超过8小时（20万次弯曲循环）后仍能正常工作，验证了该打印策略的 superior reliability。
具有多层线圈的3D打印软电磁驱动器(SEMA)
制备了具有4层线圈的方形SEMA。力输出测试表明，在1特斯拉磁场和1安培电流下，4层线圈SEMA可提升10.6克重物，而尺寸相同的单层线圈SEMA仅能提升3.2克。计算体积力密度显示，4层线圈SEMA比单层线圈SEMA高出约66%，展现了多层集成在提升驱动力和体积力密度方面的显著优势。
具有集成多层线圈的自感知SEMA
利用3D打印的灵活性，制造了集成了传感线圈层和驱动线圈层的自感知SEMA。当驱动层通入电流使驱动器弯曲时，传感层线圈的电阻会随弯曲角度发生单调变化，从而建立电阻与弯曲角度的一一对应关系。响应时间测试表明，传感层电阻能在1.5秒内响应驱动电流变化并达到稳态，实现了近乎实时的位置检测。
传感器集成软体夹持器
基于自感知SEMA的设计原理，开发了一个由两个SEMA构成的传感器集成软体夹持器，其中一个SEMA集成了电阻传感模块。抓取实验表明，该夹持器不仅能可靠地进行抓取，其传感模块还能清晰地区分无负载和有负载抓取时的电阻信号，展现了优秀的自感知能力。
仿鳐鱼游动软电磁机器人
为验证多材料3D打印策略和洛伦兹力驱动机制的可行性，制造了具有双层线圈的仿鳐鱼游动机器人。在空气中，施加±0.6安培电流可使其鳍达到上下拍动的极限位置。在水中，该机器人在3.3赫兹、±0.6安培的方波电流驱动下，达到了29毫米/秒的平均游动速度（相当于每秒0.66个体长）。
集成电子器件的3D打印SEMA
展示了一个集成了霍尔传感器（传感单元）和红色LED（视觉指示器）的3D打印SEMA。该器件在周期性摆动时，霍尔传感器检测到的磁场强度呈现同步的周期性波动。在拉伸、反复弯曲和扭曲测试中，集成的LED始终保持点亮，证明了器件 sustained electrical conductivity and structural integrity。
结论与讨论
本研究提出的多材料3D打印策略，在单一流程中直接打印NLM和弹性体墨水，减少了人工干预，提高了可重复性。与单材料打印或其他多材料方法相比，该策略确保了打印导体保持高电导率（1.15 × 106S/m，应变200%时升至1.85 × 106S/m），并支持制造具有75微米最小线宽、200微米最小线间距、3毫米稳定垂直连接等复杂线圈架构。4层线圈SEMA展现出比单层线圈高66%的体积力密度。自感知SEMA实现了驱动与传感的集成，为软体机器人的闭环反馈控制提供了可能。传感器集成夹持器、仿鳐鱼游动机器人以及集成霍尔传感器和LED的SEMA，则分别展示了该策略在可靠抓取与感知、高效运动以及机械鲁棒性电子集成方面的应用潜力。这些成果突显了该3D打印策略在实现具有多层线圈架构和集成功能的高性能软体机器人及电子器件流线型制造方面的独特优势。尽管该方法目前对垂直连续结构的制造特别有效，对中空结构的适用性仍受逐层沉积方案的限制，未来可通过引入可去除的支撑材料来拓展其应用范围。总体而言，该策略实现了功能组件的一体化制造，助力强大的驱动性能，并支持小型化制造，非常适合生物医学软体机器人领域，为下一代软机电系统的发展提供了有前景的途径。
