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作者提出了一種使用非接觸式連續(xù)打印調(diào)整的基于噴墨的多材料沉積方法，并將該方法稱為視覺控制噴射(VCJ)(圖1)。VCJ利用高速3D視覺系統(tǒng)來捕獲當(dāng)前打印表面的深度圖，并通過局部調(diào)整下一層中噴射的樹脂量來補(bǔ)償與理想平面的偏差。該方法的視覺系統(tǒng)使用四個(gè)攝像頭和兩個(gè)激光源在打印時(shí)進(jìn)行激光輪廓測量。執(zhí)行包括整個(gè)打印區(qū)域的表面掃描的反饋循環(huán)，而不會(huì)減慢打印過程。該方法比以前的工作快660倍，吞吐量高達(dá)33 ml min^?1。下載化學(xué)加APP到你手機(jī)，更加方便，更多收獲。

作者評(píng)估了這些材料的性能，并將其與最先進(jìn)的3D噴射材料進(jìn)行了比較(圖2a-2c)。當(dāng)它們是新的時(shí)候，它們的彈性模量和斷裂伸長率非常匹配。作者測試了丙烯酸酯(Tango Black Plus)和軟硫醇烯在暴露于戶外風(fēng)化(包括紫外線照射、溫度變化和濕度時(shí)的彈性模量變化。Tango Black Plus的彈性模量(0.89 MPa)僅在250小時(shí)后就增加了約113倍，在1,000小時(shí)后增加了約295倍，達(dá)到261 MPa。相比之下，1000小時(shí)后，該研究中的軟硫醇烯的彈性模量(0.53 MPa)僅發(fā)生約4%的變化(圖2d)。與新的相比，軟硫醇烯的斷裂伸長率變化不到1.13倍。相比之下，基于丙烯酸酯的Tango Black Plus在不到250小時(shí)的風(fēng)化時(shí)間內(nèi)脆化了0.03倍，斷裂伸長率從最初的119%降低了約 3% (圖2e)。作者用位移高達(dá)140%的應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)來量化材料的粘彈性行為。丙烯酸酯的滯后面積比硫醇烯的滯后面積大3至4.3倍(圖2f)。Tango Black Plus的面積為0.42 MPa，而軟硫醇烯的面積僅為0.087 MPa。軟硫醇烯和丙烯酸酯的動(dòng)態(tài)機(jī)械分析表明，與兩種丙烯酸酯相比，軟硫醇烯的玻璃化轉(zhuǎn)變Tg區(qū)域要窄得多(圖2g)。軟硫醇烯的儲(chǔ)能模量變化在-35 °C至-18 °C之間顯著，而兩個(gè)丙烯酸酯樣品在更寬的范圍內(nèi)(-30 °C至15 °C)顯示出儲(chǔ)能模量的顯著變化。

該研究中的多材料肌腱驅(qū)動(dòng)手是一種功能齊全的印刷品，配有傳感器墊和氣動(dòng)信號(hào)線(圖3a)。當(dāng)指尖接觸所抓握的物體時(shí)，手可以感知接觸并開始抓握并停止手指運(yùn)動(dòng)。VCJ能夠打印長、柔軟、細(xì)的通道以及帶有薄膜的大空腔，從而使這些技能成為可能。該研究中仿生手中的19個(gè)可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的肌腱設(shè)計(jì)有剛性的承重核心和柔軟的可彎曲外殼(圖3b)。作者將一組肌腱連接到伺服電機(jī)上以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。指尖配備了原位印刷傳感器墊，通過印刷流體信號(hào)線連接到壓力傳感器(圖3b)。當(dāng)手接觸物體并且感測到的壓力超過閾值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)伺服電機(jī)的控制動(dòng)作。當(dāng)物體接觸手指的傳感器墊時(shí)，通過信號(hào)線檢測到壓力的變化。一旦達(dá)到預(yù)定的壓力閾值，手指運(yùn)動(dòng)就會(huì)在達(dá)到完全卷曲之前停止(圖3c)。作者還驅(qū)動(dòng)了手的各個(gè)手指，例如相對的拇指可以觸摸其他手指的指尖(圖3d)。這種傳感裝置允許手自主地抓取物體(圖3e)。

有些機(jī)器人在接觸環(huán)境時(shí)會(huì)移動(dòng)并做出反應(yīng)。然而，這些令人印象深刻的例子需要多種制造方法和復(fù)雜的手動(dòng)組裝。去除支撐后，該研究打印的流體驅(qū)動(dòng)步行機(jī)器人可以移動(dòng)、抓取和感知(圖4a)。這些功能是通過打印機(jī)創(chuàng)建強(qiáng)大的氣密軟剛性接口和復(fù)雜的3D通道的能力而實(shí)現(xiàn)的。此外，材料的彈性和低阻尼使機(jī)器人能夠快速移動(dòng)并易于控制。該研究直接打印的助行器具有六足結(jié)構(gòu)，配有雙關(guān)節(jié)腿(圖4b)。六個(gè)支腿由兩組三支支腿提供壓縮空氣(圖4c)。上關(guān)節(jié)致動(dòng)器有一根供電線，下關(guān)節(jié)致動(dòng)器有一根供電線。此外，機(jī)器人還配備了一個(gè)夾具，其尖端嵌入了傳感器墊。夾持器的手臂可以利用其上、下執(zhí)行器上下移動(dòng)，并且夾持器可以抓取和舉起物體。夾具尖端的傳感器墊在建立接觸時(shí)提供抓握反饋(圖4e、i)，傳感器反饋通知控制器如何調(diào)整機(jī)器人的動(dòng)作。步行者還能夠以(20/15) ° s^?1的速度轉(zhuǎn)動(dòng)來改變其所面對的方向(圖4f)。該研究選擇的步態(tài)周期(圖4d，h)允許機(jī)器人以大約0.1(身體長度)s^?1或大約0.01 m s^?1的速度以穩(wěn)定的方式移動(dòng)(圖4g) 。此外，反轉(zhuǎn)步態(tài)周期會(huì)使機(jī)器人向后移動(dòng)。

圖4. 3D打印后可工作的機(jī)車、傳感和抓取機(jī)器人

作者還打印了一個(gè)類似心臟的流體驅(qū)動(dòng)泵(圖5a)。該泵具有驅(qū)動(dòng)膜、單向閥和嵌入心室的內(nèi)部傳感器腔(圖5b)。仿生泵的泵送周期由空氣流入和流出致動(dòng)室來控制。驅(qū)動(dòng)室壓力的循環(huán)變化使驅(qū)動(dòng)膜反復(fù)變形，從而導(dǎo)致預(yù)期的液體流動(dòng)(圖5c)。由于多材料3D打印機(jī)的快速原型制作能力，多材料閥門優(yōu)化過程中的不同步驟得以實(shí)現(xiàn)(圖 5d)。作者測試了泵的流量、傳感器以及通過流體設(shè)置保留水的能力(圖 5e)。測量不同泵周期的流速，范圍從0 次min^?1到90次min^?1，導(dǎo)致流速高達(dá)2.3 l min^?1(圖 5f)。印刷傳感器測量與所需泵送頻率相匹配的壓力變化；因此，它們可以用于閉環(huán)控制設(shè)置(圖 5g)。

為了展示使用VCJ的材料化學(xué)和精細(xì)特征的超材料架構(gòu)，作者打印了一系列桁架狀超材料(圖6a)。在這里，作者制造了一組3×3×3單元，其中包含幾何定向的鏈接(直徑為1.0 mm至2.5 mm)和節(jié)點(diǎn)(直徑為0.0 mm至4.5 mm)。改變軟鏈接和剛性節(jié)點(diǎn)的直徑(圖6b)改變了超材料在壓縮下的行為。由于打印機(jī)的高分辨率及其易于融化的支撐材料，該研究能夠以如此低的有效密度制造這些精致的結(jié)構(gòu)。作者通過對不同樣品進(jìn)行壓縮測試來研究超材料的行為變化(圖6c)，能夠通過改變鏈接和節(jié)點(diǎn)的直徑來調(diào)整壓縮下的行為。材料性能突然變化的量和開始主要受節(jié)點(diǎn)直徑的影響。對于一種配置，結(jié)構(gòu)因壓縮而彎曲大于或等于17.5 mm(圖6d)。

圖6. 3D打印的多材料超材料結(jié)構(gòu)，具有可調(diào)的剛度變化