4D-печать методом фотополимеризации в ванне двухступенчатых УФ-отверждаемых жидкокристаллических эластомеров

Умные материалы, которые запоминают форму

Представьте медицинский стент, который может пройти через крошечный сосуд, затем аккуратно расшириться внутри тела — а позже сжаться снова по сигналу. Или мягкого робота, который ползает и захватывает предметы, реагируя только на изменения температуры, без моторов и шестерёнок. В этой работе показано, как 3D-печатать такие «умные» объекты, чтобы они не только имели сложную трёхмерную форму, но и могли управляемо и повторяемо менять её со временем.

От 3D-объектов к 4D-преобразователям формы

Традиционная 3D-печать создаёт фиксированные объекты, тогда как 4D-печать добавляет время как новую размерность: напечатанные детали могут менять форму при воздействии тепла, света или других сигналов. Особо перспективной группой материалов для этого являются жидкокристаллические эластомеры — резиноподобные материалы, содержащие стержнеподобные блоки, которые могут выстраиваться и двигаться согласованно. При нагреве или охлаждении эти блоки переориентируются, и материал сгибается, растягивается или сокращается. Однако большинство ранних подходов полагалось на экструзию через сопло, что ограничивает детализацию и затрудняет создание тонких, свободно стоящих структур, таких как открытые решётки или детализированные архитектурные модели.

Новый способ печати и программирования движений

Авторы сочетают эти жидкокристаллические эластомеры с другим методом 3D-печати — фотополимеризацией в ванне, используемой в высокоразрешающих принтерах. В этом методе проектор света отверждает тонкие слои жидкой смолы, формируя твёрдый объект с признаками размером до долей миллиметра. Команда разработала специальную смолу, которая реагирует в два этапа. На первом этапе ультрафиолетовая световая вспышка соединяет акрилатные компоненты, формируя мягкую резиновую сеть, пригодную для печати сложных форм. Важно, что другие группы в смоле — эпоксидные — на этом этапе остаются неактивными, словно запасные точки сшивки, готовые к дальнейшему использованию.

Фиксация формы с помощью тепла

После печати исследователи проводят отдельный этап «программирования». Они механически деформируют напечатанную деталь — растягивают, сжимают или сгибают её в нужную конфигурацию. Такая крупномасштабная деформация заставляет жидкокристаллические строительные блоки внутри выстраиваться вдоль направлений локальных напряжений. Пока деталь удерживается в деформированном состоянии, её аккуратно нагревают, и эпоксидные группы вступают в реакцию, образуя дополнительные прочные связи. Эти новые связи фактически «замораживают» внутреннюю ориентацию и общую форму. После остывания и освобождения конструкция сохраняет запрограммированную форму при комнатной температуре, но при нагреве выше определённой температуры перехода она возвращается к своей исходной, напечатанной форме; повторное охлаждение возвращает её в запрограммированную конфигурацию. Это обратимое «память формы», которое можно многократно переключать без необходимости механического сброса.

Настройка прочности, мягкости и движения

Изменяя соотношение акрилатных и эпоксидных компонентов, команда может точно регулировать жёсткость, прочность и отзывчивость материала. При умеренном содержании эпоксидных связующих эластомер остаётся мягким и растяжимым, но получает достаточно дополнительных связей, чтобы надёжно удерживать запрограммированную форму и воспроизводимо возвращать её при нагреве с почти 100-процентной точностью. Большая доля эпоксидов даёт более жёсткие материалы, способные нести большую нагрузку, но при этом менее подвижные. Используя оптимизированную формулу, исследователи демонстрируют ряд температурно-реактивных структур: решётки, жёсткость которых можно утроить нагревом; ауксетические узоры, расширяющиеся вбок вместо сужения при растяжении; и бистабильные элементы, которые можно термически переключать между двумя устойчивыми формами для многократного поглощения и отдачи энергии.

Изменяющиеся устройства и мягкие роботы

Чтобы продемонстрировать практические возможности, авторы печатают несколько сложных объектов, которые обратимо трансформируются. Среди них — раскрывающаяся антенна, миниатюрная модель Эйфелевой башни, медицинские стенты, сжимающиеся для введения и затем раскрывающиеся, и цветкообразные структуры, которые «распускаются» при нагреве. Они также создают мягкие роботизированные руки, выполняющие жесты или захватывающие объекты, модель протезной руки, сгибаемую и подъёмную с помощью напечатанной «мышечной» ленты, и робота, вдохновлённого земляным червём, который ползёт вперёд при циклическом нагреве и охлаждении. Все эти примеры опираются на одну ключевую идею: объект сначала печатается в одной форме, затем механически программируется в другую, а температура служит простым дистанционным управлением для переключения между ними.

Почему это важно для будущих устройств

Для неспециалистов суть в том, что теперь можно печатать сложные движущиеся устройства единым куском с помощью доступных химий и высокоразрешающих принтеров. Дизайнерам больше не нужно заранее проектировать микроскопические внутренние узоры во время печати для управления движением; вместо этого они могут формировать общую деформацию после печати и позволить материалу самостоятельно реорганизовать внутреннюю структуру. Эта работа открывает путь к доступным, детализированным и полностью обратимым системам изменения формы для применения — от медицинских имплантов и адаптивных строительных элементов до лёгких аэрокосмических компонентов и автономных мягких роботов.

Цитирование: Jiang, H., Chung, C., Gracego, A.X. et al. 4D printing through vat photopolymerization of two-stage UV-curable liquid crystal elastomers. Nat Commun 17, 1671 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68370-y

Ключевые слова: 4D-печать, жидкокристаллические эластомеры, мягкая робототехника, материалы с памятью формы, умные конструкции