综述：软功能材料增材制造研究进展 | MDPI Materials

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文章导读

随着可穿戴设备、软机器人和组织工程的不断发展，人们对先进软材料的需求也在不断增加。增材制造 (Additive Manufacturing, AM) 作为软功能器件的替代制造方法，能够更好的实现几何设计和功能提升，因此成为了研究热点之一。

来自美国德克萨斯大学的 Jaime Eduardo Regis 研究团队在 Materials 发表了文章，综述了具有自形状记忆聚合物、自修复材料、电子软材料、铬材料等 AM 可加工软材料的最新研究进展，讨论了 AM 对软材料的物理、化学功能特性的影响，此外还介绍了软功能材料在软机器人、生物材料、传感器、能量收集器和光电子等方面的具体应用。

材料与方法

◉ 形状记忆聚合物 (Shape Memory Polymers, SMPs)：SMPs 是一种刺激响应材料，具有重量轻、编程机制灵活、高形状变形性等优点。SMPs 可以将不同的几何图形作为“临时形状”存储在记忆中，并可以在外部刺激作用下恢复到永久形状。SMPs 在保持永久形状时具有高熵态，在施加应力并达到塑性变形 [环境温度=转变温度 (T_trans)] 条件下具有低熵态。作者团队还总结了 SMPs 的 AM 方法以及 SMPs 的材料特性 (如玻璃化转变温度、弹性模量等)。

◉ 自修复材料 (Self-Healing Materials)：自修复材料是功能材料的一个分支，其由机械损伤引起的断裂键可以利用复杂的物理或化学过程来修复。自修复材料能够对难以检测的损伤做出反应，有助于防止在常规操作过程中由于聚合物暴露在疲劳、磨损和其他恶化力下而导致的裂缝或破裂的扩展。近年来，AM 技术的进步使得自修复材料的发展有所增加，有利于产生具有更高复杂性和可调性能的自修复结构。自修复材料的应用包括可穿戴设备、电子皮肤等。作者团队针对基于 AM 方法制备的自修复材料功能化学、回收性能、回收条件和应用进行了总结。

◉电子软聚合物 (Electronic Soft Polymers)：电子软聚合物包括介电弹性体、压阻性聚合物和压电聚合物，在机械、热、光或 pH 的刺激下，其电子性质 (如偏振、电容或电阻) 将发生变化。这一特性有利于电子软聚合物在驱动、传感和能量收集等方面的应用。

◉ 铬材料 (Chromic Materials)：当施加温度、机械应力、电、pH 浓度等不同刺激时，铬材料的折射率 (如颜色、荧光、亮度、透明度)、外观将发生改变。其可逆光学机制可用于传感和软机器人的可穿戴设备，因此引起了研究者的广泛关注。本文总结了其 AM 方法、施加的刺激、颜色变化、吸收波长和可逆性。

◉ 多功能软材料 (Multifunctional Soft Materials)：多功能软材料是指将具有不同功能的软材料结合，所形成的具有两种或两种以上功能的复合材料，该复合材料的采用能够极大降低软机器人等系统的材料复杂性，因此在能源、医药、纳米电子学等多个领域都具有广阔的应用前景。此外，将具有多种功能的材料与 AM 技术的发展相结合，可以在材料之间轻松过渡，从而实现最简单、尺寸最有效的结构。本文总结了不同多功能软材料的 AM 方法。

具体应用

◉ 生物打印 (Bioprinting)：近年来，生物打印技术在组织和器官工程方面取得了飞速发展 (图 1)。该技术通过将活细胞融合到 3D 打印墨水中，使之与生物系统相互作用，实现促进细胞和组织的生长或成为细胞结构的一部分。通过 AM 实现生物材料的微结构控制，可以更好地控制材料的给药和抗菌性能，从而减少感染和免疫系统排斥的可能性。

图 1. 3D 打印心脏模型的不同发展阶段：(A~D) 理想结构的 CAD 建模；解剖心管模型包含 (E) 原始心血管系统，(F~H) 线性心脏结构；(I) 全心模型 (J~L) 二尖瓣和主动脉瓣，其中(C,H,L) 的心脏结构均采用了透明树脂进行 3D 打印。

◉ 传感器 (Sensors)：传感器在生物医学、结构健康监测、航空航天等领域中都具有非常重要应用，其主要作用是检测应变、压力、温度以及气体或液体的存在，因此对应变、压力等刺激敏感的软材料非常适合用于传感器的生产制造。由于传统方法很难实现高拉伸性和敏感度的结构的制造，为了构建具有扩展材料和几何选择的软传感器，AM 技术也在传感元件制造领域得到了应用。

◉ 能量收集装置 (Energy Harvesters)：能量收集装置是一种可以从热能和机械能等替代能源中产生电能的设备。AM 技术有助于改进能量收集装置的设计，包括扩大能量收集装置的几何选择，实现具有更好的力学性能 (如更高的压缩和能量转换) 的晶格结构，此外由于基于 AM 技术制备得到的能量收集装置具有良好的形状一致性和弹性，因此可在可穿戴电子产品、纺织品和皮肤等领域中得到广泛应用。

◉ 软机器人 (Soft Robots)：软机器人 (图 2) 是具有多个自由度的高度顺应性设备，能够以最小的损伤操作对象。由于柔性和顺应性等有趣的材料特性，软机器人在制造各种类型的夹具、海洋勘探和康复设备等方面获得了显著的关注。软机器人的驱动通常是通过施加气动或液压压力、温度、紫外线、磁场或电场来实现的。软机器人应用中使用最多的材料包括 SMPs、水凝胶、离子聚合物-金属复合材料和弹性体。

图 2. 基于 3D 打印的机器人夹持器，采用 175 kPa 的压力拾取不同形状、大小和重量的物品示意图。

研究总结

本文对 AM 技术在软功能材料中的应用进行了全面综述，介绍了 AM 技术在软功能材料中的应用、促进其功能特性的最新进展以及在各领域中的具体应用。采用 AM 技术对软材料进行加工，能够更好的调协材料的性能、实现更大的设计自由度，进而提高软材料的应用潜力，甚至能够实现高性能集成的软物质光电器件和能量采集器等元件；然而基于软物质的 AM 技术也还存在可打印材料有限、部分情况打印效率低等缺陷。在未来，随着悬浮层增材制造 (SLAM) 技术的研发、软功能材料的可打印性的提高、可打印材料种类的增加，基于材料基因组学、多尺度建模、拓扑优化和多材料的 AM 技术将得到进一步的具体应用。

原文出自 Materials 期刊

Regis, J.E.; Renteria, A.; Hall, S.E.; Hassan, M.S.; Marquez, C.; Lin, Y. Recent Trends and Innovation in Additive Manufacturing of Soft Functional Materials. Materials 2021, 14, 4521.

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   Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊发表涵盖材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等、以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等研究领域在内的学术文章。

2021 Impact Factor	3.748(Q1*)
2021 CiteScore	4.7
Time to First Decision	15.3 Days
Time to Publication	38 Days

* Q1 (18/79) at category "Metallurgy and Metallurgical Engineering"

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特约撰稿人

赖寿强 博士研究生

厦门大学电子科学与技术学院

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