3D列印軟性材料致動器：模擬真實肌肉的科技突破

瑞士聯邦材料科學與技術研究所（Empa）的研究團隊正致力於開發能夠媲美真實肌肉的人工肌肉。他們最近成功利用3D列印技術，製造出既柔軟又有彈性且強韌的結構。這項技術未來可應用於醫療、機器人領域，甚至是任何需要按鈕操控移動的場景。這項研究成果已發表於《先進材料技術》期刊。

人工肌肉不僅能讓機器人動起來，未來還可能協助人們工作或行走，甚至取代受損的肌肉組織。然而，開發出能與真實肌肉相提並論的人工肌肉，是一項極具挑戰性的技術難題。為了與生物肌肉匹敵，人工肌肉不僅需要具備強大的力量，還必須具備彈性和柔軟性。人工肌肉的核心是所謂的致動器，這些元件能將電脈衝轉化為運動。致動器廣泛應用於家庭、汽車引擎或高度發展的工業裝置中，但這些硬質機械元件與肌肉仍有很大差距。

Empa功能聚合物實驗室的研究團隊正在開發由軟性材料製成的致動器。他們首次成功利用3D列印技術製造出這類複雜元件。顯微鏡下的列印肌肉纖維影象顯示了其結構。

這些介電彈性致動器（DEA）由兩種不同的矽基材料組成：導電電極材料和非導電介電材料。這些材料以層狀結構交織在一起，Empa研究員Patrick Danner解釋道：「這有點像交錯的手指。」當電壓施加於電極時，致動器會像肌肉一樣收縮；當電壓關閉時，它會恢復到原始位置。

Danner指出，3D列印這樣的結構並非易事。儘管兩種軟性材料的電氣特性截然不同，但在列印過程中它們的行為必須非常相似。它們不能混合，但在成品致動器中必須緊密結合。列印的「肌肉」必須盡可能柔軟，以便電刺激能引起所需的變形。此外，所有3D列印材料都必須滿足以下要求：在壓力下液化以便從列印頭擠出，但擠出後應立即變得足夠黏稠以保持列印形狀。

Danner表示：「這些特性往往相互矛盾。如果你最佳化其中一個，其他三個可能會變得更糟。」

在與蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）研究人員的合作下，Danner和功能聚合物材料研究組負責人Dorina Opris成功調和了許多這些相互矛盾的特性。他們利用Empa開發的兩種特殊墨水，以及ETH研究員Tazio Pleij和Jan Vermant開發的列印頭，成功列印出功能性軟性致動器。

這項合作是大型專案Manufhaptics的一部分，該專案隸屬於ETH領域的戰略領域「先進製造」。該專案的目標是開發一款能讓虛擬世界變得觸手可及的手套。人工肌肉旨在透過阻力模擬抓握物體的感覺。

然而，軟性致動器的潛在應用遠不止於此。它們輕巧、無聲，且得益於新的3D列印技術，可以根據需求進行塑形。它們可以取代汽車、機械和機器人中的傳統致動器。如果進一步開發，它們還可用於醫療應用。

Opris和Danner已經開始著手這項工作。他們的新技術不僅可以列印複雜形狀，還可以列印長彈性纖維。Opris表示：「如果我們能讓它們變得更薄一些，就能非常接近真實肌肉纖維的工作原理。」她相信，未來有可能利用這些纖維列印出整個心臟。然而，在這樣的夢想成為現實之前，還有很多工作要做。