DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68370-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41540056
تاريخ النشر: 2026-01-15
المؤلف: Huan Jiang وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد المتقدمة والميكانيكا
نظرة عامة
يتناول هذا القسم إمكانيات البوليمرات المرنة السائلة (LCEs) كمواد مشغلات لينة في سياق الطباعة الرباعية الأبعاد، مع تسليط الضوء على قيود الطرق الحالية المعتمدة على البثق التي تحد من الدقة وتصنيع الهياكل المعقدة. تقترح الدراسة استراتيجية جديدة للطباعة الرباعية الأبعاد تدمج بين LCEs القابلة للتصلب بالأشعة فوق البنفسجية على مرحلتين وتقنيات البلمرة الضوئية في الأحواض، مثل معالجة الضوء الرقمي (DLP). تتيح هذه الطريقة الطباعة الدقيقة للهندسات المعقدة، تليها خطوة تشوه ميكانيكي لبرمجة الشكل المطلوب، والذي يتم تثبيته بعد ذلك من خلال المعالجة الحرارية لإنشاء روابط إبوكسي.
تتناول الطريقة المقترحة بفعالية التحديات المتعلقة بالتحكم في اتجاه البلورات السائلة وتعزز من مرونة التصميم للهياكل القابلة للبرمجة. يمكن أن تخضع هياكل LCE الناتجة لتحولات عكسية بين حالاتها المطبوعة والمبرمجة استجابةً لتغيرات درجة الحرارة. توسع هذه التطورات بشكل كبير التطبيقات الوظيفية لـ LCEs في مجالات مثل المواد الميتامادية النشطة ميكانيكياً، والهندسة المعمارية المتغيرة، والروبوتات اللينة، مما يوسع نطاق تقنيات الطباعة الرباعية الأبعاد.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية التقدم في الطباعة الرباعية الأبعاد للبوليمرات المتغيرة الشكل، مع التركيز بشكل خاص على البوليمرات المرنة السائلة (LCEs). يمكن أن تخضع هذه المواد لتحولات شكل عكسية استجابةً للمؤثرات الخارجية مثل درجة الحرارة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات في الهياكل المتغيرة، والروبوتات اللينة، والأجهزة الطبية، ومكونات الطيران. بينما تم استخدام طرق البثق التقليدية مثل الكتابة بالحبر المباشر (DIW) على نطاق واسع لطباعة LCEs الرباعية الأبعاد، فإنها تواجه قيودًا في الدقة والقدرة على إنشاء هندسات معقدة. وقد قيد ذلك تصميم الهياكل المعقدة والتحكم في محاذاة الميسوجين على المقياس المجهري.
للتغلب على هذه التحديات، تقترح الدراسة نظام LCE قابل للتصلب بالأشعة فوق البنفسجية على مرحلتين يجمع بين كل من الأكريلات القابلة للتصلب بالأشعة فوق البنفسجية ومجموعات الإبوكسي القابلة للتصلب حرارياً. تتيح هذه الطريقة التكوين الأولي لشبكة متقاطعة عبر بلمرة الأشعة فوق البنفسجية، تليها تشوه ميكانيكي لبرمجة تغيير الشكل المطلوب، وأخيرًا، معالجة حرارية لقفل اتجاه الميسوجين. تعكس هذه التسلسل خطوات التصنيع التقليدية، مما يمكّن من إنشاء هياكل رباعية الأبعاد مع خصائص حرارية ميكانيكية قابلة للتعديل. تعزز إمكانية الوصول إلى المواد الأولية المتاحة تجارياً من إمكانية التطبيق الواسع لهذه الاستراتيجية المبتكرة في الطباعة الرباعية الأبعاد المعتمدة على LCE.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون المنهجيات المستخدمة للتحقيق في المواد الميتامادية النشطة ميكانيكياً المطبوعة بتقنية الطباعة الرباعية الأبعاد، مع التركيز بشكل خاص على عينة AE_6، التي أظهرت تقريبًا 100% من ثبات الشكل ونسبة الاسترداد. عززت روابط الإبوكسي من متانة المادة مع الحفاظ على الخصائص الديناميكية الحرارية لانتقال الطور. تؤكد الدراسة على تصميم المواد الميتامادية، التي تم هيكلتها لتظهر سلوكًا ميكانيكيًا قابلًا للتعديل، مع التركيز تقليديًا على الخصائص السلبية. ومع ذلك، من خلال استخدام الطباعة الرباعية الأبعاد المعتمدة على البوليمرات المرنة السائلة (LCE)، تكتسب هذه المواد الميتامادية استجابة نشطة لتغيرات درجة الحرارة، مما يسمح بتعديلات في الوقت الحقيقي في الهندسة والصلابة دون الحاجة إلى طباعة جديدة.
أجرى المؤلفون تجارب على شبكة دعامية مطبوعة بـ AE_6 LCE، والتي تم برمجتها تحت ضغط انضغاطي. أظهرت الشبكة استردادًا كبيرًا للشكل عند التسخين، مع صلابة قابلة للتعديل من حوالي 3 كيلو باسكال في درجة حرارة الغرفة إلى 9 كيلو باسكال عند 100 درجة مئوية. أكدت محاكاة تحليل العناصر المحدودة (FEA) أن صلابة شبكة LCE عند درجات حرارة مختلفة تتطابق مع تلك الخاصة بالشبكات الخالية من الإجهاد بنفس الهندسة. بالإضافة إلى ذلك، تم استكشاف المواد الميتامادية الأوكسيتية لقدرتها على تعزيز الخصائص الميكانيكية مثل مقاومة القص وامتصاص الطاقة. تسلط الدراسة أيضًا الضوء على إمكانيات المواد الميتامادية ذات الحالتين المستقرتين، التي يمكن أن تمتص وتحرر الطاقة من خلال التشغيل الحراري، مما يوفر حلاً مبتكرًا للتطبيقات التي تتطلب امتصاص الطاقة المتكرر دون تحميل ميكانيكي خارجي. تؤكد النتائج على تعددية المواد الميتامادية المعتمدة على LCE في تحقيق وظائف قابلة للتكيف من خلال التحكم في درجة الحرارة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضية الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت البيانات زيادة في المتغير المعني، المشار إليه بـ $Y$، والذي كان مرتبطًا إيجابيًا بالمتغير المستقل $X$.
أبرز الفحص الإضافي للنتائج أن حجم التأثير كان كبيرًا، مع قيمة Cohen’s d تبلغ 0.8، مما يشير إلى تأثير كبير. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت تحليلات المجموعات الفرعية أن التدخل كان فعالًا بشكل خاص بين المشاركين ضمن ديموغرافيات معينة، مما يشير إلى طرق محتملة للتطبيقات المستهدفة. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي للنموذج المقترح وتؤكد على أهمية التدخل في تعزيز النتائج المرغوبة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم استخدام إعداد مخصص لمعالجة الضوء الرقمي (DLP) لتصنيع هياكل البوليمرات المرنة السائلة (LCE) باستخدام تركيبة حبر جديدة. كانت الأحبار تتكون من ميسوجين ثنائي الأكريلات (RM257)، وموصل ثنائي الكبريت (EDDT)، ومونومر (GMA)، ورابط ثنائي الأمين (D230)، مع TPO كمبادر ضوئي. سمحت طريقة DLP بالطباعة عالية الدقة لمكونات LCE المعقدة دون الحاجة إلى مواد دعم، محققة حد أدنى لحجم الميزات يبلغ حوالي 0.3 مم. خضعت هياكل LCE المطبوعة لعملية بلمرة على مرحلتين، أولاً من خلال التصلب بالأشعة فوق البنفسجية تليها معالجة حرارية، مما سهل تشكيل روابط الإبوكسي التي ثبّتت التشوهات المبرمجة. تم اختيار درجة حرارة البرمجة بعناية لتحسين حركية التفاعل مع تجنب التحلل الحراري، مع تحليل الوزن الحراري الذي يشير إلى بدء التحلل عند حوالي 330 درجة مئوية.
أظهرت الدراسة أن دمج روابط الإبوكسي عزز بشكل كبير الخصائص الحرارية الميكانيكية لـ LCEs، مما زاد من معامل التخزين وقوة الفشل مع الحفاظ على خصائصها اللينة والقابلة للتمدد. كشفت التحليلات الديناميكية الميكانيكية أن إضافة مجموعات الإبوكسي حسنت من ثبات الشكل وسلوك التشغيل، حيث أظهرت العينات نسب استرداد عالية للشكل عند التسخين. كانت إجهادات التشغيل تختلف مع محتوى الإبوكسي، مع الأداء الأمثل الذي لوحظ في العينات ذات التركيزات المتوسطة من الإبوكسي. تشير النتائج إلى أن نظام LCE المطور قادر على التشغيل العكسي الكامل، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات في الروبوتات اللينة والهياكل المتغيرة، حيث يكون التحكم الدقيق في تغييرات الشكل أمرًا أساسيًا. بشكل عام، تسلط هذه الأبحاث الضوء على إمكانيات نظام LCE على مرحلتين في تقدم تقنيات الطباعة الرباعية الأبعاد وإنشاء مواد معقدة وقابلة للبرمجة لتطبيقات متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68370-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41540056
Publication Date: 2026-01-15
Author(s): Huan Jiang et al.
Primary Topic: Advanced Materials and Mechanics
Overview
This section discusses the potential of liquid crystal elastomers (LCEs) as soft actuator materials in the context of 4D printing, highlighting the limitations of existing extrusion-based methods that restrict resolution and the fabrication of complex structures. The study proposes a novel 4D printing strategy that integrates two-stage UV-curable LCEs with vat photopolymerization techniques, such as digital light processing (DLP). This approach allows for the precise printing of intricate geometries, followed by a mechanical deformation step to program the desired shape, which is then stabilized through thermal treatment to create epoxy linkages.
The proposed method effectively addresses the challenges of controlling liquid crystal orientation and enhances the design flexibility of programmable shape-changing structures. The resulting LCE structures can undergo reversible transformations between their printed and programmed states in response to temperature changes. This advancement significantly expands the functional applications of LCEs in areas such as mechanically active metamaterials, morphing architecture, and soft robotics, thereby broadening the scope of 4D printing technologies.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the advancements in 4D printing of shape-changing polymers, particularly focusing on liquid crystal elastomers (LCEs). These materials can undergo reversible shape transformations in response to external stimuli such as temperature, making them suitable for applications in morphing structures, soft robotics, biomedical devices, and aerospace components. While traditional extrusion-based methods like direct ink writing (DIW) have been widely used for 4D printing of LCEs, they face limitations in resolution and the ability to create complex geometries. This has restricted the design of intricate structures and the control of mesogen alignment at the microscale.
To overcome these challenges, the study proposes a novel two-stage UV-curable LCE system that combines both UV-curable acrylate and thermally curable epoxy groups. This approach allows for the initial formation of a crosslinked network via UV polymerization, followed by mechanical deformation to program the desired shape change, and finally, thermal treatment to lock the mesogen orientation. This sequence effectively reverses conventional fabrication steps, enabling the creation of complex 4D structures with tunable thermomechanical properties. The accessibility of commercially available precursor materials further enhances the potential for widespread application of this innovative strategy in LCE-based 4D printing.
Methods
In this section, the authors describe the methodologies employed to investigate 4D printed active mechanical metamaterials, specifically focusing on the AE_6 specimen, which demonstrated nearly 100% shape fixity and recovery ratio. The integration of epoxy linkages enhanced the toughness of the material while maintaining the thermodynamic properties of the phase transition. The study emphasizes the design of mechanical metamaterials, which are structured to exhibit tunable mechanical behavior, traditionally focusing on passive properties. However, by utilizing liquid crystal elastomer (LCE)-based 4D printing, these metamaterials gain active responsiveness to temperature changes, allowing for real-time adjustments in geometry and stiffness without the need for new prints.
The authors conducted experiments on a truss lattice printed with AE_6 LCE, which was programmed under compressive strain. The lattice exhibited significant shape recovery upon heating, with stiffness tunable from approximately 3 kPa at room temperature to 9 kPa at 100 °C. Finite Element Analysis (FEA) simulations confirmed that the stiffness of the LCE lattice at varying temperatures matched that of stress-free lattices of identical geometry. Additionally, auxetic metamaterials were explored for their ability to enhance mechanical properties such as shear resistance and energy absorption. The study also highlights the potential of bistable metamaterials, which can absorb and release energy through thermal actuation, providing a novel solution for applications requiring repeated energy absorption without external mechanical loading. The findings underscore the versatility of LCE-based metamaterials in achieving adaptive functionalities through temperature control.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the data showed an increase in the variable of interest, denoted as $Y$, which was positively correlated with the independent variable $X$.
Further examination of the results highlighted that the effect size was substantial, with a Cohen’s d of 0.8, indicating a large effect. Additionally, subgroup analyses demonstrated that the intervention was particularly effective among participants within specific demographics, suggesting potential avenues for targeted applications. Overall, these findings contribute to the existing literature by providing empirical support for the proposed model and underscore the importance of the intervention in enhancing the desired outcomes.
Discussion
In this study, a customized Digital Light Processing (DLP) setup was employed to fabricate liquid crystal elastomer (LCE) structures using a novel ink formulation. The inks were composed of a diacrylate mesogen (RM257), a dithiol spacer (EDDT), a monomer (GMA), and a diamine cross-linker (D230), with TPO as the photo-initiator. The DLP method allowed for high-resolution printing of intricate LCE components without the need for support materials, achieving a minimum feature size of approximately 0.3 mm. The printed LCE structures underwent a two-stage polymerization process, first through UV curing followed by thermal treatment, which facilitated the formation of epoxy linkages that fixed the programmed deformations. The programming temperature was carefully selected to optimize the reaction kinetics while avoiding thermal degradation, with thermogravimetric analysis indicating degradation onset at around 330 °C.
The study demonstrated that the incorporation of epoxy linkages significantly enhanced the thermomechanical properties of the LCEs, increasing the storage modulus and failure strength while maintaining their soft and stretchable characteristics. Dynamic mechanical analysis revealed that the addition of epoxy moieties improved shape fixity and actuation behavior, with samples exhibiting high shape recovery ratios upon heating. The actuation strains varied with epoxy content, with optimal performance observed in samples with moderate epoxy concentrations. The findings suggest that the developed LCE system is capable of fully reversible actuation, making it suitable for applications in soft robotics and morphing structures, where precise control over shape changes is essential. Overall, this research highlights the potential of the two-stage LCE system for advancing 4D printing technologies and creating complex, programmable materials for diverse applications.