石墨烯材料结合增材制造，构筑独立行走的3D打印机器人

中国哈尔滨工业大学的研究人员用氧化石墨烯 3D打印了一个软机器人，当暴露在潮湿的环境中时，它能够自主前后移动。科学家们将墨水直写式（DIW） 3D打印和约束干燥技术相结合制造出软机器人，在3D打印氧化石墨烯物体能做到空隙率尽可能均一。研究人员表示，这项研究可以提供一个多功能平台，从中可以进一步开发具有水分驱动能力的氧化石墨烯软机器人。
使用石墨烯进行3D打印的挑战
石墨烯具有许多理想的特性，适用于 能源生产，微电子学， 生物 医学和传感器等领域的应用。该材料的轻质性能，导电性和导热性以及机械强度在这些领域表现出极大的潜力，但是由于石墨烯的大部分优势来自其层状结构，因此将这种材料用于3D打印仍然面临重大挑战。
在此之前一些实验组一直在探索石墨烯的潜力并研究其制作方法，例如弗吉尼亚理工大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员开发的高分辨率3D打印方法，该方法借助石墨烯在凝胶内分散特性，最终形成3D可打印树脂。LLNL还与加州大学圣克鲁兹分校的一个团队合作，生产用于储能设备的石墨烯基气凝胶电极。来自西班牙 陶瓷和玻璃研究所（ICV）和艾克斯 - 马赛大学3D打印的氧化石墨烯支架作为轻质混合结构的基础，保留了石墨烯的许多理想特性，包括导电性和吸附水能力。
最近，布法罗大学的研究人员开发了一种新型3D打印的水净化石墨烯气凝胶，可用于废水处理厂，而乌普萨拉大学的科学家和石墨烯专家Graphmatech已成功将石墨烯添加到3D打印的铜部件中，以提高其强度和密度。

△圆柱体3D打印在石墨烯涂层铜中。照片来自乌普萨拉大学。
3D打印氧化石墨烯软机器人
哈尔滨工业大学的团队发现，先前报道的3D打印氧化石墨烯结构往往是高度多孔的。由于材料的超亲水特性，氧化石墨烯油墨中的水分含量通常高于材料重量的90%，必须在3D打印过程后去除。冷冻干燥技术通常用于保持3D打印的氧化石墨烯结构的均匀性，但是这会使结构高度多孔。为了克服这种效应，研究人员提出通过结合DIW 3D打印和约束干燥技术来控制3D打印氧化石墨烯凝胶的收缩过程。
科学家们首先确保优化氧化石墨烯油墨的流变特性，以便在DIW过程中实现平滑挤出和印刷物体的形状稳定性。为了实现这一目标，他们确保墨水包含高度对齐和致密的氧化石墨烯片。为了防止干燥阶段的变形，研究人员采用约束机制，以确保整个结构的均匀收缩。这意味着氧化石墨烯片在整个干燥过程中保持对齐和压实，使印刷结构能够保持其形状。
该方法还能够控制3D约束角落的角度，以及局部环境的湿度，以展示他们的3D打印氧化石墨烯软机器人的驱动能力。通过交替地将水滴落在每个软机器人的"腿"上，它能够在没有任何外部电源的情况下前后移动。根据研究人员的说法，DIW 3D打印和约束干燥的成功结合已经形成了一个多功能平台的基础，以开发未来对水分和湿度变化敏感的氧化石墨烯软机器人。

△3D打印的氧化石墨烯结构，厚度为20μm。图片来自 ACS Nano。 由于该技术赋予的设计自由度，3D打印正越来越多地用于新型软机器人应用。