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新兴的东说念主机界面工夫，如软体驱动器、可拉伸传感器、组织移植物、以及柔性能量集中开采，其特色在于依赖优柔的弹性材料。复杂的多材料界面和雅致的结构贪图泛泛用于增强这些开采的功能，但同期也带来了制造和弹性挑战。软生物结构通过自愈才能来均衡这些量度，从而减少对外部挫伤的脆弱性。尽管如故展示了具有令东说念主印象长远的机械性能和自愈才能的合成软材料，但要使用这些泛泛通过模塑制成的材料来制造复杂的开采仍然费劲重重。诚然最近的进展，如勾搭预成型组件和径直写入打印自愈材料，如故取得了一些进展，但关于坐褥实用的自愈开采来说，几何复杂性（举例，悬垂部分、里面腔体）和分辨率仍然是王法因素。可光固化的自愈弹性体是坐褥大意开发挫伤的复杂软体开采的有出路的候选材料。但是，这些材料的实用性受到依赖外部刺激、定制合成、手动从头对都和多小时愈合周期的王法。

来自好意思国空军征询实验室的Christopher A. Crouse等团队开发了一种刚毅的3D打印羼杂型丙烯酸酯/硫醇-烯弹性体（由市售前体制备），在莫得外部刺激的情况下证据出着实即时的挫伤开发。这种快速、由氢键驱动的自愈才能使机械性能得到故道理的还原，包括在挫伤后高达344%的拉伸应变。此外，结构化的东说念主字形移植展示了一种引东说念主防卫标战略，大意在隔离愈合界面处杀青内聚性失效，仅通过适度增多界面步地积，杀青了高达18倍的韧性晋升。使用立体光刻工夫制造的原型软机器东说念主开采在环境条目下无需外部搅扰即可在几秒钟内自愈。这些着力标明了一种可扩展的战略，不错在损坏的软体开采中提供及时、自主的功能还原。联系责任以题为“3D-Printable Elastomers for Real-Time Autonomous Self-Healing in Soft Devices”的著述发表在2024年12月03日的期刊《ACS Materials Letters》。

1.更始式征询内容

为了缩小自愈材料在制造、性能和实用性之间的差距，本文引入了一种快速自愈的光固化弹性水凝胶——由市售前体（COTS）构成——具有高大的机械性能。这些材料诈欺羼杂的丙烯酸酯/硫醇-烯化学来打印刚毅的材料，其延长率为355% ± 33%，极限拉伸应力为1.30 ± 0.27 MPa，并通过氢键介导杀青快速的自粘附。为了杀青模块化和可从头成立的开采，移植界面被结构化以确保在自愈合界面以外发生内聚性断裂，使韧性提高了18倍。通过使用数字图像联系（DIC）的全场光学测量对移植样品的断裂力学进行了征询，揭示了跟着应变增多的界面强化时势。这些材料不错领会地进行打印，如在商用数字光经管（DLP）3D打印开采上坐褥的高分辨率打印件，尺寸达到6 cm × 3.9 cm × 14.7 cm（130 g）。由该树脂打印而成的气动彭胀器在遭受剃须刀刺穿后着实立即杀青了自主功能还原。本文面目的3D打印自愈材料和弹性移植界面贪图的和洽跳动展示了一种可扩展的措施，可在复杂形势的软体开采中提供及时愈合才能。

【团聚物合成与制备】

树脂系统的贪图场地是易于大范畴坐褥，仅使用商用现成化学品（COTS chemicals）。树脂的构成包括一个氢键单体2-羟乙基丙烯酸酯（HEA）（95.16 分量百分比），双链迁移剂和交联剂季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)（PETMP）（2.98 分量百分比），己二醇二丙烯酸酯（HDDA）（1.24 分量百分比）交联剂，以及行为光激励剂的苯基双(2，4，6-三甲基苯甲酰基)膦氧化物（BAPO）（0.124 分量百分比）（图1a）。水基绿色食物染料（0.497 分量百分比）用于回绝打印进程中色泽过度穿透，从而提高打印步地的质料与分辨率。

与类似材料系统比拟，这种材料的自愈性能增强主如果由于硫醇添加剂的作用。在目田基团聚进程中，四臂硫醇行为链迁移剂，隔断传播链并从以硫醇为中心的目田基从头激励，从而产生了较短的寡聚物种类以及更大的四臂团聚物，从而拓宽了分子量散布。低分子量的寡聚物约占水凝胶质料的三分之一，它们充任增塑剂，使得杨氏模量缩小，能量耗散才能提高（图1b）。这些变化提供了一种粘附性，加上聚(2-羟乙基丙烯酸酯)的氢键相互作用，师法粘合剂的战略，不错增多界面结合强度并提供快速的自愈速度。诚然高温下的动态硫醚交换也可用于撑持愈合，但实验标明，这里报说念的材料的自愈透澈依赖于基于快速粘附的氢键作用。尽管在团聚进程中添加链迁移剂泛泛会导致机械性能下落，但本文面目的系统诈欺四官能团硫醇基团生成额外的交联，减轻对机械性能的不利影响，同期增强粘附性。最终着力是适用于快速光团聚基于3D打印工艺的自愈水凝胶弹性体，具有安妥软机器东说念主应用和基于粘附的即时自愈的蛊惑东说念主的机械性能。

图1 树脂要素和3D打印涩涩电影网站

【机械本性】

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为进行机械本性测试，通过锻造和DLP（数字光经管）3D打印制作了拉伸试样。固化后，系数样品在室温下存放7天，存放环境避光，以达到领会的含水量，从而赢得许各样品的类似应力-应变弧线。由于本文征询的材料是一种亲水性弹性体，因此在不同湿度条目下征询其机械性能。水合样品在45% ± 20%相对湿度（RH）的空气中存放，达到约2.7%的质料含水量；而脱水样品则在15% RH的氮气保护干燥器中存放，达到约1.1%的质料含水量。为了评估自愈才能，使用单轴拉伸考试对原始现象和自愈后的拉伸试样进行表征。系数自愈样品都在试样中心垂直切割（见图2a），使用干净的剃须刀。切割后的样品手动从头对都，并在界面处手动施加步地压力以确保断裂步地的精湛构兵。系数样品在进行机械测试前都休息5分钟，以允许粘弹性浮松。

原始材料的单轴拉伸应力-应变弧线（见图2b）证据出典型的非线性弹性（N形）空洞，从25%到近300%的应变范围内有一个大的妍丽区域，而况在较高伸长率时有明确的应变硬化行动。材料在大变形驱动应用中具有上风，不错在适中的驱能源下杀青大应变。在妍丽区之后的高应变硬化进程可能有助于回毫不测的材料失效。脱水材料的杨氏模量高于常温储存的材料，因为水分减少了团聚物的比例，而况可颖慧扰了链间氢键的造成。原始锻造材料证据出高大的机械性能，最终拉伸应力（UTSs）分歧为常蔼然脱水样品的1.12 ± 0.56 MPa和2.96 ± 0.14 MPa。与其他内在自愈的光固化弹性体比拟，包括那些使用定制前体合成的弹性体，原始UTS值在鸿沟中是最高的之一。尽管原始锻造材料的断裂伸长率中等（常温下为423% ± 29%，脱水现象下为458% ± 8%），但与一些同类材料比拟，预料能为绝大广泛潜在应用提供鼓胀的大弹性变形。

量化自愈材料证据出的粘弹性进程关于细则其在现实应用中的性能至关进攻，独特是那些需要快速反映的应用。关于本文报说念的材料，粘弹性进程显耀依赖于水分含量，这是因为氢键的作用。对脱水锻造样品进行的轮回拉伸考试骄贵出显著的滞后和逐周期软化（见图2d）。但是，在常温储存样品上进行的测试骄贵出较少的滞后和较弱的逐周期软化。这标明，诚然水的增塑性质葬送了一些强度和模量，但它有助于最小化材料反映的时候依赖性，可能是通过减弱临时键的孝顺杀青的。最终，这种更好意思满的弹性（更少的失掉）行动不错产生对外部驱动更敏锐的开采。

图2 原始材料和自愈材料的测试

【结构增强功能性】

本文报说念的材料的3D打印才能提供了贪图可愈合组件之间机械界面的契机。与挫伤开发不同，材料嫁接不错诈欺断裂力学道理来增强（或缩小）自愈性能，并可能胁制断裂位置和形态。为了评估这一战略，本文测试了具有不同界面几何形势的模块化自愈样品在嫁接步地之间的界面强度。通过不同角度的鱼骨形界面（从35°到17.5°不等）探索增多界面面积，从而提高嫁接强度（见图3a）。值得堤防的是，分开锻造并在平面接口处进行嫁接的样品，其自愈才能显耀低于切割后立即对都的样品（韧性缩小了约98%）。本文以为这一着力是由于嫁接进程中存在的几个可能的复杂因素所致。领先，分开锻造并嫁接在全部的样品莫得资格样品切割时发生的键合破损。团聚高温造成的较强氢键复合物不错王法跨界面的氢键造成和团聚物扩散。其他因素可能包括由于模具几何形势不好意思满和在测试前一周存储时间涌现于空气中的颗粒物导致的两块样品间的微小几何互异。尽管系数这些影响都不错通过符合的措施减轻，但本文以为这些因素在现实环境中是联系的，而况在典型的非受控环境下拼装模块化开采时很可能会遭受。

具有35°界面（中等锐度的鱼骨形图案）的嫁接件证据出0.65 ± 0.48 MJ/m³的韧性和176% ± 107%的应变（见图3b），比平面界面卓绝6倍的韧性。但是，如图3c所示，这些样品大部分沿着嫁接界面发生了粘合性断裂（尽管在相对嫁接件的外边际不雅察到一些小碎屑）。将鱼骨图案的锐度增多到17.5°，产生了截面面积约为平面样品的3.3倍的界面。在这些样品中，断裂长久发生在隔离嫁接界面的位置（见图3d），标明工程嫁接有用地改造了最低断裂能量旅途，使其水平穿过样品而不是在自愈界面处。尽管显耀增强了愈合材料的性能，但鱼骨齿处的应变连合导致在达到块状样品的原始材料性能之前就激励了断裂（见图3e）。应变连合在测试初始时的牙齿接口处出现，可能是由于两个面之间的瞄准和几何形势不完善所致。17.5°样品中的断裂事件始于应变连合处，峰值约为460%，这一失败应变与锻造脱水样品中的单轴拉伸失效情况特别吻合。

图3 东说念主字形嫁接界靠近断裂力学的影响

【软体机器东说念主演示】

为展示这种弹性体快速自主开发挫伤的才能，本文贪图并3D打印了一个浮浅的气动彭胀器。气动彭胀器由10个波纹管构成，通过一个中央气室勾搭，连气儿开采的长度。打印完成后，软体开采经事后固化经管，在氮气净化的干燥器中储存一周，并用不粘的聚四氟乙烯（PTFE）喷雾经管以便于操作。彭胀器通过在机器东说念主终端打印的垫片勾搭到定制夹具上，然后用约1.5 psi的压缩空气进行驱动。在放气至约0 psi后，用X-Acto刀制造了一个长约7 mm的刺孔（见图4a）。然后，彭胀器在1.5 psi的压缩空气压力下见效从头充气至之前的变形位置。这一着力标明，彭胀器大意在几秒钟内通过快速的氢键结合杀青自主自愈，而无需东说念主工从头瞄准。值得堤防的是，当刀插入时存在的空气暴露在刀移除后着实立即罢手。

为展示这些材料适用于软体机器东说念主应用，三个交流的彭胀器被勾搭到一个定制夹具上，造成一个三指抓持器（见图4b）。软体机器东说念主抓持器抛弃在一个装满100 mL蓝色水（总分量为165 g）的150 mL玻璃烧杯周围。手动将手指放在烧杯边际并驱动到约1.5 psi就足以收拢并抬起烧杯。通过将拿起的烧杯横向挪动几秒钟来测试抓持的领会性，临了开释烧杯。自便开释标明，粘附力在吊挂烧杯时莫得起到进攻作用。见效的三指抓持器展示了这种材料具有适归并为有用软体机器东说念主彭胀器的机械性能。跟着彭胀器和夹具贪图的校阅，抓持器的晋升才能可能会显耀增多。

图4 气动驱动和快速自主自愈

2.回来与预测

本文开发的与DLP兼容的材料弥合了快速自愈弹性体、生意级树脂打印和使用市售前体（COTS）进行浮浅合成之间的差距。这种高大组合的杀青收获于一种新颖的羼杂丙烯酸酯/硫醇-烯配方，其低粘度特别安妥DLP打印。DLP打印才能饱读舞更始贪图，并通过杀青复杂形势和制造可扩展性，鼓动自愈软材料的更泛泛应用。本文报说念的材料在未受损现象下的韧性为4.60 ± 0.49 MJ/m3，挑战了需要繁琐且端淑的合成才能在可打印自愈材料中杀青蛊惑东说念主机械性能的不雅念。

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