旋转三维打印：带可编程形变的主动-被动纤维与晶格

自然纤维如蛋白质、植物触手、章鱼触手和象鼻鼻 trunk，能够转化为任意三维形状以完成必要功能。其形变行为源于主动区域与被动区域的复杂图案，这些图案在合成物中难以复制。本文引入了一种以纤维为中心的策略，用于在制造过程中直接编码纤维的固有曲率与扭转。通过运用旋转多材料三维打印（RM-3DP），我们通过受控材料分布和螺旋状液晶胶原的对齐，直接规定纤维的自然曲率——扭转场 $\mathbf{k}(s)$。当加热至其纯亚稳态-各向同性相变温度（$T_\mathrm{NI}$）以上时，螺旋对齐的 LCE 区域沿其局部指向场收缩，而被动区域基本保持不变。这种方法使我们能够在纤维中心线的每个截面上独立控制弯曲与扭转：纤维关键自然曲率在两个正交轴上的方向以及局部扭转。随后，我们打印由由正弦形状纤维构成的单元晶格，这些纤维要么可逆收缩，要么可逆膨胀，要么表现出垂直于平面的变形。具有不同自然曲率和扭转的 Janus 纤维的离散弹性棒仿真，这些纤维在打印的晶格中相互连接，允许准确预测其观察到的形变行为。通过集成主动-被动弹性体、增材制造和计算建模，我们已创建了具有复杂可编程响应的形变物质，用于依赖于自适应、机器人或可部署结构的应用。