2026年8月12日，国际期刊《自然·通讯》发表了一项来自韩国釜山国立大学与美国橡树岭国家实验室的联合研究成果：研究团队开发出一种可3D打印的液晶弹性体墨水，仅通过调节打印速度和温度，就能在打印过程中切换分子的排列方向，让同一材料在受热时既可伸长、也可收缩。这项被评价为「首次实现」的技术突破，为软体机器人、人工肌肉、可重构触觉表面等应用打开了全新空间。
一、从「只会收缩」到「可伸可缩」，破解液晶弹性体打印的驱动困局
液晶弹性体（LCE）是软体致动器领域的明星材料，其分子结构能响应温度等外部刺激发生有序变化，从而驱动材料形变。然而此前的挤出式3D打印面临一个先天局限：打印过程中，液晶分子通常沿打印方向排列，每根沉积丝材在受热时只能产生单一的驱动模式——传统3D打印液晶弹性体几乎只表现出热收缩，这极大限制了可编程形状变换的空间。
釜山国立大学安硕均（Suk-kyun Ahn）教授团队与橡树岭国家实验室的合作者，巧妙利用了近晶相（smectic）液晶的独特行为：近晶相液晶分子呈层状有序排列，其取向既可能平行于打印方向，也可能垂直于打印方向，而切换的「开关」就藏在打印参数里。研究团队发现，通过调节直写打印过程中的剪切速率（即打印速度）和喷嘴温度，就能让分子在两个正交方向之间稳定切换，从而在同一材料中编码出伸长与收缩两种相反的驱动行为。
二、打印速度和温度就是「编程开关」，一条墨水打出两种动作
这项工作的核心创新在于「工艺即编程」。在近晶相液晶弹性体的直写打印中，低剪切速率或低温条件会使分子趋于垂直排列，而高剪切速率或高温条件则让分子平行于打印方向排列。也就是说，设计者无需更换材料、无需多喷嘴协同，只需在打印路径上调整速度和温度，就能为不同区域「写入」不同的分子取向，进而决定成品受热时是伸长还是收缩。
为验证这一机制，研究团队将直写打印与流变学测量、广角X射线散射（WAXS）和分子动力学模拟相结合，从实验与理论两个层面揭示了剪切速率和温度控制分子排列的内在规律。他们随后打印出具有可编程形状变化的2D和3D结构，包括三角晶格、鞍形屈曲结构、锥形收缩体以及可切换形貌的表面，直观展示了「同一种墨水、多种动作」的可行性。
| 打印条件 | 分子取向 | 受热驱动行为 | 典型形变 |
|---|---|---|---|
| 低温/低剪切 | 垂直打印方向 | 伸长 | 应变 +28% |
| 高温/高剪切 | 平行打印方向 | 收缩 | 应变 -31% |
三、数据说话：伸长28%、收缩31%，百次热循环依然稳定
可编程驱动不只是概念演示，实测数据同样亮眼。研究显示，垂直取向的打印结构受热后伸长应变达到+28%，平行取向结构则产生-31%的收缩应变；在阻断应力测试中，伸长模式对应+0.30MPa、收缩模式对应-0.51MPa，说明材料不仅能形变，还能对外输出可观的驱动力。
更关键的是循环稳定性：打印材料在反复加热（100℃）与冷却（10℃）循环中始终保持驱动行为，超过100次热循环后性能未见明显衰减。这意味着该类致动器具备长期服役的潜力，为后续工程化应用奠定了可靠性基础。研究团队负责人安硕均教授表示：「我们的工作首次证明，仅通过调节打印速度和温度，就能使用单一的可3D打印近晶相液晶弹性体墨水在两个正交方向之间切换分子排列。」
四、软体机器人、人造肌肉与4D打印，应用想象空间打开
将相反的驱动行为编程进单一材料，可以大幅简化复杂软致动器的制造流程——过去需要组合多种材料或采用不同制造工艺才能实现的动作，如今一条墨水、一台打印机即可完成。研究团队列出的潜在应用包括：软体机器人致动器、人工肌肉、用于触觉显示的可重构表面，以及用于调节空气阻力的自适应纹理；可穿戴设备和响应温度变化而改变形状的微创医疗工具也在规划之中。
这项研究同时属于更广泛的4D打印范畴——打印结构被设计成在制造完成后能响应外部刺激改变几何形状或性能。安硕均教授展望，在未来5到10年内，这项技术有望让3D打印物体不再仅仅保持固定形状，而是能够主动改变形状并执行特定功能，推动增材制造从「静态成型」走向「动态功能」。结合液晶聚合物本身阻燃、高强度、连续使用温度可达240℃的特性，其在微型机器、传感器、无人机部件、光电器件等领域的想象空间十分可观。
五、从实验室到量产，还有多远？
需要清醒看到，该研究仍处于实验室阶段：目前仅验证了一种近晶相液晶弹性体配方，距离大规模制造还有明显距离。研究团队也坦言，需要进一步研究才能将方法扩展到其他材料体系，并实现规模化生产。不过，学术界对液晶弹性体取向控制的研究正快速推进——2025年，哈佛大学、普林斯顿大学、劳伦斯利弗莫尔国家实验室等机构已系统研究过墨水成分、喷嘴几何形状和打印条件对挤出取向的影响；哈佛团队还展示了旋转多材料3D打印制备的活性液晶弹性体丝材，能实现弯曲、扭转、膨胀等复合运动。
从行业视角看，液晶弹性体直写打印的「工艺即编程」思路，与金属增材制造中的工艺-组织调控逻辑异曲同工：不改变材料，只改变工艺参数，就能获得截然不同的材料行为。这种「参数驱动性能」的范式，正成为增材制造从实验室走向工程化的通用方法论。
总结
釜山国立大学与橡树岭实验室的联合研究，以打印速度和温度为「开关」，实现了单一液晶弹性体墨水内伸长与收缩的可编程切换，百次热循环性能稳定，为软体机器人、人工肌肉与4D打印提供了全新的材料与工艺底座。
来源：Nature Communications、南极熊3D打印网、3D打印资源库