综述：3D打印水凝胶在软体机器人中的应用

《Journal of Polymer Materials》：3D Printed Hydrogels for Soft Robotic Applications

这篇综述系统阐述了3D打印水凝胶在软体机器人领域的最新进展，重点探讨了天然/合成/杂化水凝胶的材料特性、光聚合（DLP/SLA）和挤出式（DIW）等增材制造技术，以及其在驱动器、传感器和多模态机器人中的创新应用。文章强调了通过纳米复合增强和结构设计实现机械性能调控，并展望了仿生智能水凝胶在医疗机器人及环境交互中的潜力。

　　

3D打印水凝胶材料

水凝胶凭借高含水率（可达90%）和类生物组织特性，成为软体机器人的理想材料。根据成分可分为三类：

1. 天然水凝胶：如藻酸盐（alginate）和壳聚糖（chitosan），具有优异的生物相容性但机械强度较低。通过添加纳米黏土（Laponite）可提升打印性能，如Cai团队开发的氧化藻酸盐-明胶复合水凝胶。
2. 合成水凝胶：如聚丙烯酰胺（PAAm）和聚乙二醇（PEGDA），机械性能可调且适合光固化打印。Wang等通过DLP技术制备的聚丙烯酸（PAAc）水凝胶驱动器能在4-6V电压下实现43°弯曲。
3. 杂化水凝胶：结合天然与合成材料优势，如Chen设计的PNIPAm/PAAc双层驱动器，通过温度/pH双重响应实现仿生捕食动作。

增材制造技术

1. 光聚合技术：

   • 立体光刻（SLA）：可实现10μm级分辨率，但需后固化处理。
   • 数字光处理（DLP）：通过投影固化整层树脂，速度达70-100mm/h，Zhang团队开发的丙烯酰胺-聚乙二醇二丙烯酸酯（AP）水凝胶拉伸率超1300%。
   • 微立体光刻（PμSL）：Han等利用该技术制造了温度响应性PNIPAm微结构抓手。

2. 挤出式打印：

   • 直接墨水书写（DIW）适合高黏度材料，如Xia团队开发的还原氧化石墨烯-聚N-异丙基丙烯酰胺（rGO-PNIPAm）水凝胶，近红外（NIR）光触发下可抓取物体。
   • 低温多材料打印（MCP）通过冷冻固化实现微米级精细结构。

机器人应用突破

1. 驱动器：

   • 光热响应抓手：Zhan通过灰度PμSL打印的碳纳米管-PNIPAm微抓手可实现水下可控操作。
   • 电响应 manipulator：Li设计的碳纳米管（CNTs）-Ecoflex/PNIPAm双层结构在NIR光下驱动电路开关。

2. 多模态机器人：

   • 行走机器人：Han的电场驱动水凝胶"步行者"通过离子迁移产生不对称弯曲。
   • 游泳机器人：Cezan的磁性-光响应水凝胶通过拍打运动实现光趋性游动。

3. 柔性传感器：

   • 电阻式应变传感器：Liu的3D打印聚乙烯醇（PVA）-陶瓷片复合水凝胶可用于智能手套。
   • 电容式传感器：Yue的聚苯胺-水凝胶微网格灵敏度达7.10kPa^?1。

挑战与未来方向

1. 性能优化：需平衡机械强度与响应速度，如通过纳米黏土（hectorite）增强使杨氏模量提升至50MPa。
2. 规模化生产：开发连续液面成型（CAL）等高速打印技术，20秒内完成自驱动机器人制造。
3. 功能集成：结合机器学习优化材料设计，实现如Guo团队开发的藻酸盐-PAAm光纤传感器般的多模态感知。

仿生智能水凝胶将推动软体机器人向环境自适应、生物兼容和能源自主方向发展，为医疗微创手术和可穿戴设备带来革新。