一种仿生3D打印温敏型柔性驱动器的制备方法与流程

本发明涉及材料领域，本发明涉及一种仿生3d打印温敏型柔性驱动器的制备方法。

技术背景

通过3d打印技术制备的柔性驱动器，能够凭借着精密的结构布局，灵巧的结构设计和快速的响应性变形，在柔性智能传感器、医学载药运输、柔性机器人等领域得到了广泛的应用。通过不同的刺激形式，实现不同环境下自发且稳定的变形功能，进一步拓展了3d打印柔性驱动器的应用前景。在众多柔性材料中，水凝胶材料凭借着极高的生物相容性与结构稳定性，已经被广泛的人工肌肉、药物释放等领域。并且，随着材料制备技术和材料加工技术的进步与发展，水凝胶材料也已经作为一种“墨水”，通过3d打印技术进行加工成型。通过3d打印技术制备的水凝胶柔性驱动器克服了传统制备方法中样品结构简单、不精密、响应速度慢的缺点，结合诸如温度、光、电、磁等诸多响应条件，3d打印水凝胶柔性驱动器成为突破传统驱动器制备方法零部件繁多复杂、变形形式简单和变形效率低的新方法。在诸多刺激条件中，温度场作为实现难度低、易构建、适用范围广及成本低的优点，被诸多柔性驱动器所采纳。虽然众多国内外学者做了大量的关于3d打印技术制备温敏型水凝胶柔性驱动器的相关工作，但依然存在着材料成分调控复杂，兼顾打印流畅性与成型稳定性的难度较大；固化方法单一，成型稳定性较低；结构设计复杂，功能简单等不足。今年来，随着仿生技术在诸多领域内的广泛应用，一些之前较难的问题被逐渐解决。因此，将仿生学引入温敏型柔性驱动器的3d打印制备中，解决制备过程中存在的诸多问题，完成简化3d打印温敏型水凝胶材料的制备过程、提高水凝胶打印稳定性及成型效率，精简水凝胶固化成型方式，简化3d打印结构及提高温敏性变形效率，亟待进一步研究。

技术实现要素：

本发明目的是以自然界中的风露草为生物模本，针对其螺旋变形的结构进行仿生，采用3d打印技术，以n-异丙基丙烯酰胺型温敏型水凝胶为基体材料，解决3d打印柔性驱动器在结构设计、材料制备、结构打印、固化成型中存在的问题。

本发明通过3d打印技术，复制出了风露草实现螺旋变形功能的分层螺旋结构，并实现了仿风露草的变形运动。为工程领域内3d打印制备功能性与成型效率的柔性驱动器的设计与制备提供一种高效的仿生学方法。

本发明的制备方法：

本发明以风露草为仿生模本，3d打印技术为制备方法，以n-异丙基丙烯酰胺型水凝胶为打印材料。

1、以n-异丙基丙烯酰胺作单体，xlg型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，n,n,n’,n’-四甲基乙二胺作催化剂，纳米木浆纤维素作增强相，单体，引发剂，催化剂之间的摩尔比为100:0.370:0.638，纳米木浆纤维素的浓度为10mg/ml～12mg/ml。交联剂质量分数为3wt.％～3.5wt.％。

2、按照1中所述的配料比称取原始材料，在冰水浴条件下将纳米木浆纤维素并搅拌30～40分钟；然后加入xlg型合成硅酸镁锂，搅拌60～65分钟；然后加入n-异丙基丙烯酰胺并搅拌120～130分钟；最后依次加入过硫酸钾和n,n,n’,n’-四甲基乙二胺，搅拌5～6分钟。

3、将制备好的温敏型水凝胶装入打印注射筒内，除去筒内气泡之后，将注射筒与内径为0.6mm的不锈钢针头相连，最后将注射筒与实验室自制的3d打印机推注泵连接，将预先通过solidworks设计好的三维模型转换为.stl格式的文件，通过slic3rsoftware39软件将设计好的模型进行预先处理，通过开源软件pronterface设计并控制打印路径，将温敏型水凝胶按照设计好的仿生结构，打印在玻璃板上，打印结束后将打印好的水凝胶置于真空条件下，在25℃～27℃环境下静置24～26小时成型，至此完成一种仿生3d打印温敏型柔性驱动器的制备工作。

本发明的有益效果：

1、本发明以具有旋转变形功能的风露草为仿生模本，将仿生设计与3d打印相结合，成功制备了仿生3d打印温敏型柔性驱动器，简化了3d打印模型的设计难度，丰富了柔性驱动器的变形功能。

2、用于3d打印的温敏型水凝胶材料可通过调控纳米木浆纤维素的含量，实现打印的流畅性与成型稳定性。调控方法简便高效。采用的真空条件下的原位自由基聚合法，与传统紫外光固化方法相比，简化了成分配比，提高了制备效率。

3、本发明通过仿生学方法实现了3d打印技术应用范围的扩展，验证了仿生设计在3d打印技术中的可行性。所制备的仿生柔性驱动器除具备良好的

附图说明

图1是风露草螺旋变形部位的微观结构图。

图2是温敏型水凝胶的微观结构图。

图3是仿风露草结构设计效果图。

图4是仿生柔性驱动器室温下的变形过程图片。

图5是仿生柔性驱动器升温条件下变形过程图片。

具体实施方式

实施例1：

请参阅图1和图2所示，温敏型水凝胶材料的制备

选取n-异丙基丙烯酰胺作单体，xlg型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，n,n,n’,n’-四甲基乙二胺作催化剂，纳米木浆纤维素作增强相，单体，引发剂，催化剂之间的摩尔比为100:0.370:0.638；纳米木浆纤维素的浓度为10mg/ml～12mg/ml，交联剂质量分数为3wt.％～3.5wt.％，在冰水浴条件下将纳米木浆纤维素并搅拌30～40分钟；然后加入xlg型合成硅酸镁锂，搅拌60～65分钟；然后加入n-异丙基丙烯酰胺并搅拌120～130分钟；最后依次加入过硫酸钾和n,n,n’,n’-四甲基乙二胺，搅拌5～6分钟，至此，完成3d打印“墨水”—温敏型水凝胶材料的制备，图1是仿生模本—风露草的微观形貌图，即，分层螺旋结构，每一层均呈空间网络结构，制备出的温敏型水凝胶材料在微观层面上也呈现空间网络结构，如图2所示。

实施例2：

请参阅图3、图4和图5所示，3d打印仿生柔性驱动器的制备

将实施案例1中制备好的温敏型水凝胶装入打印注射筒内，除去筒内气泡之后，将注射筒与内径为0.6mm的不锈钢针头相连，最后将注射筒与实验室自制的3d打印机推注泵连接，等待打印，将预先通过solidworks设计好的如图3所示的仿风露草分层螺旋结构模型转换为.stl格式的文件，通过slic3rsoftware39软件将设计好的模型进行预先处理，通过开源软件pronterface设计打印路径，将温敏型水凝胶按照设计好的路径，打印在玻璃板上，打印结束后将打印好的水凝胶置于真空条件下，在25℃～27℃环境下静置24～26小时成型，至此成功制备出了一种仿生3d打印柔性驱动器。将该型驱动器置于与室温相同的水中，仿生柔性驱动器会实现风露草的螺旋变形，如图4所示，将该型驱动器置于50℃水中，以实现的螺旋结构会逐渐展开，如图5所示，本发明所制备的仿生柔性驱动器具备可逆、可重复的变形特性，实现了仿生模型的高效再现。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种仿生3D打印温敏型柔性驱动器的制备方法，其特征是：以风露草为仿生模本，以3D打印技术为制备方法，通过真空条件下的原位自由基聚合实现仿生3D打印结构的固化成型，制备出具有较高打印流畅性、成型稳定性、力学稳定性、结构精密性、变形可可逆，重复的温敏型柔性驱动器，本发明所涉及的制备方法生产成本低，加工制造方便，适用范围广。

技术研发人员：梁云虹;宁璐平;赵骞;侯文华;张志辉;韩志武;任露泉
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2018.05.22
技术公布日：2018.11.16