《Designs》：Towards Scalable Production of Liquid Crystal Elastomers: A Low-Cost Automated Manufacturing Framework
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本文提出一种低成本自动化制造框架，通过改造3D打印机（Creality Ender 5 Plus）实现液晶弹性体（LCE）渗透细胞组装过程的机械化。该系统采用定制化笛卡尔机器人、磁性滑块支架与自动化摩擦工具，显著提升了薄膜厚度一致性（局部偏差±0.08 mm）和介晶取向均匀性（偏振光学显微镜验证）。研究证实玻璃基板厚度变异（10–15 μm）是影响LCE薄膜精度的主要因素，为人工肌肉、心脏辅助装置等生物医学应用提供了可并行化的量产方案。
引言：液晶弹性体（LCE）作为兼具橡胶弹性与液晶各向异性的智能材料，在软体机器人和生物医学领域展现出巨大潜力。然而传统手动制备方式存在操作者依赖性高、薄膜厚度不一致、摩擦取向不均等问题，严重制约其规模化应用。本研究聚焦于LCE制备中机械装配环节的自动化改造，通过重构摩擦、基板对齐、间隔层放置等关键步骤，构建低成本、可并行部署的制造框架。
自动化系统设计基础：基于对人工操作流程的分解，研究团队选用PPP（三棱柱关节）结构的笛卡尔机器人作为运动平台，以商用Creality Ender 5 Plus 3D打印机为硬件基础进行定制化改造。该系统通过专为LCE组件设计的叉式末端执行器、机械夹爪和磁性滑块支架，实现了基板与间隔层的精准运输与定位。特别开发的翻转工具可自动完成上基板的180°旋转，确保双基板取向对齐。
关键组件创新设计：
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摩擦工具优化：采用带泡沫缓冲层的柱塞式摩擦头，通过Z轴位移控制产生0.5–1.0 N的恒定压力，使微沟槽取向变异系数降至7%以下（手动操作通常>12%）。
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磁性滑块支架重构：将原有六磁铁布局简化为四磁铁配置，有效避免基板倾斜问题；支架增加定位凹槽与防碰撞槽口，确保机器人抓取稳定性。
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模块化装配基座：集成带磁吸功能的间隔层定位槽、基板对齐导轨等结构，配合3D打印的PLA（聚乳酸）夹具，实现全流程机械化装配。
系统性能验证：通过10组LCE薄膜制备实验显示，自动化系统将单次装配时间从人工所需的10–15分钟缩短至3–5分钟。厚度测量表明薄膜厚度与基板厚度呈强相关性（皮尔逊系数r=0.78），证实玻璃基板本身10–15 μm的厚度波动是最终薄膜偏差（0.0024–0.0047 mm）的主要来源。偏振光学显微镜分析显示，自动化制备的LCE在0°偏振下呈均匀暗场，45°时呈现明亮双折射，证明介晶取向一致性显著优于手动制备样品。
局限性与发展方向：当前系统尚未实现渗透与聚合环节的全程自动化，且PLA结构件在长期使用中存在蠕变风险（建议每1000周期更换）。未来工作将重点开发基板厚度预筛选机制、自适应Z轴补偿技术，并拓展至LCE力学性能标准化测试领域，进一步推动其在人工心脏肌肉、植入式收缩装置等健康医疗领域的应用落地。
结论：本研究通过机械自动化改造有效提升了LCE制造的重复性与标准化水平，为科研实验室的批量样品制备提供了经济可行的技术路径。尽管基板固有变异仍是精度提升的瓶颈，但该框架为后续集成在线检测、智能补偿等高级功能奠定了硬件基础。
