打印机制造的肌肉：会运动的硅胶

人工肌肉不仅能让机器人移动：未来，它们可能支持人们在工作或步行时，或替代受伤的肌肉组织。然而，开发能够与真实肌肉相媲美的人工肌肉是一项重大技术挑战。为了与生物肌肉相匹配，人工肌肉不仅必须强大，而且还必须具有弹性和柔软性。人工肌肉的核心是所谓的驱动器：它们将电信号转化为运动的组件。驱动器用于任何需要按下按钮就能移动的地方，无论是在家中、汽车发动机中，还是在高度发达的工业厂房中。然而，这些硬质机械组件与肌肉之间仍然没有太多共同之处。

调和矛盾

来自Empa功能高分子实验室的研究团队正致力于由软材料制成的驱动器。现在，他们首次开发出一种利用3D打印机生产这些复杂组件的方法。这种被称为介电弹性驱动器（DEA）由两种不同的基于硅胶的材料组成：一种导电电极材料和一种非导电的介质。这些材料以层的形式相互交错。“这有点像交叉你的手指，”Empa研究员帕特里克·达纳尔（Patrick Danner）解释说。如果在电极上施加电压，驱动器就会像肌肉一样收缩。当电压关闭时，它又会恢复到原来的位置。

3D打印这样的结构并非易事，达纳尔知道。尽管这两种软材料的电气特性非常不同，但在打印过程中它们应该表现得非常相似。它们不应混合，但仍必须在最终的驱动器中保持在一起。打印出来的“肌肉”必须尽可能柔软，以便电刺激能引起所需的变形。还有所有3D可打印材料必须满足的要求：在压力下它们必须液化，以便能从打印机喷嘴挤出。然而，紧接着，它们又必须粘稠到足以保持打印形状。“这些特性往往直接矛盾，”达纳尔说。“如果你优化其中一个，其他三个就会变化……通常情况变得更糟。”

从VR手套到跳动的心脏

在与苏黎世联邦理工学院的研究人员合作中，达纳尔和负责功能高分子材料研究小组的多丽娜·奥普里斯（Dorina Opris）成功调和了许多这些矛盾特性。两种在Empa开发的特殊墨水，通过ETH研究员塔齐奥·普莱伊（Tazio Pleij）和扬·维尔曼特（Jan Vermant）开发的喷嘴被打印成功能性软驱动器。这项合作是大型项目Manufhaptics的一部分，该项目是ETH领域战略领域“先进制造”的一部分。该项目的目标是开发一种可以让虚拟世界变得触觉化的手套。这些人工肌肉旨在通过阻力模拟抓取物体的感觉。

然而，软驱动器还有更多潜在应用。它们轻巧、无噪音，得益于新的3D打印工艺，可以按需成型。它们可以替代汽车、机械和机器人中的传统驱动器。如果进一步开发，它们也可以用于医疗应用。多丽娜·奥普里斯和帕特里克·达纳尔已在这方面进行研究。他们的新工艺不仅可以打印复杂形状，而且还可以打印长弹性纤维。“如果我们能让它们变得稍微细一点，我们就能非常接近真实肌肉纤维的工作原理，”奥普里斯说。这位研究人员相信，未来可能有可能用这些纤维打印出一颗完整的心脏。然而，要实现这样的梦想，仍然需要做很多工作。