普林斯顿工程学院（Princeton Engineering）的研究人员借用喷墨打印机的一种技术，推出了一种逐像素的方法来编程和制造用于机器人、生物医学设备或建筑特征的软结构。
这项新技术可以像按下按钮一样轻松地创建软材料的像素化板材。每个像素都可以进行独特的编程，以创建复合形状、颜色和机械能力。它适用于一类材料鈥攃urable弹性聚合物鈥攖帽子不能用传统的喷墨打印机或3D打印机打印。
化学和生物工程助理教授皮埃尔·托马斯·布伦（PierreThomaBrun）说：“这里的卖点是方法的简单性。你所需要的只是两个有一串孔的盘子。”。这些材料一开始是流体，一旦沉积，就会固化成固体。关键在于流体在凝固时如何流动。对这种行为的深入理解使Brun的团队在不使用复杂机械的情况下制造了这些复合材料。相反，他们让大自然来做这项工作。
Brun说，新方法将古老的流体力学应用于现代材料问题，在不偷工减料的情况下保持低成本。“你会得到一个非常精确的结构，”他说。“这种节俭的做法并不是对质量的妥协。”
该团队于5月22日在《先进材料》杂志上发表了他们的发现，将添加剂制造扩展到了新材料领域，这些领域在生物灵感设计中特别有用。
一种具有复杂势的简单方法
喷墨打印机中的像素使用四种液滴颜色来创建数百万种明显的色调。根据它们在纸上的排列方式，这些点可以制成无数形状，从简单的字母到精致的树木。
科学家们想用软复合材料做类似的事情。布鲁恩说：“如果你想要一种与人类良好互动的材料，你就需要它是柔软的。”。但事实证明，固化成弹性固体的粘性液体对于喷墨打印机来说过于粘稠，对于3D打印机来说过于柔韧。新方法找到了一种处理可固化弹性聚合物（如硅橡胶）固有特性的方法，并可扩展到处理某些液态金属和熔融玻璃。
乔斯说：“这项简单而通用的技术为开发‘软机器人’设备开辟了许多道路，至少对于快速原型设计来说是如此。”茅 比科是巴黎ESPCI的物理学家，他没有参与这项研究。
比科补充道：“有时你会认为你需要做一些非常复杂的事情，但实际上起作用的是非常简单的事情。”
当你把一根吸管放进一杯水中，水就会从吸管中上升，这是由于毛细作用，液体会流入一个狭窄的空间。在这种情况下，狭窄的空间是两块丙烯酸板之间的薄层。当研究人员将一种样品液体滴入顶板上的孔中时，它会以数学上可预测的方式渗入板块之间的空间。液体扩散并最终相互接触，形成每个像素的边缘。
由于其蜂蜜般的粘度，像素无法混合。此外，在它们之间没有空气的情况下，液体基本上会压缩在一起，形成几何特征，Brun说。然后，该材料在环境温度下几分钟内固化成固体，形成一层软像素弹性体。
作为概念证明，研究人员使用颜色制作了各种合成图像鈥攁 以普林斯顿为主题的“P”和一个受太空入侵者启发的人物，这是一款开创性的街机游戏。同样的原理可以应用于具有不同机械或磁性的像素，从而在软机器人、医疗设备等领域产生了巨大的新应用。
布鲁恩实验室博士候选人克里斯托弗·乌赛（ChristopherUshay）说：“你可以很容易地选择一个添加磁粉的区域，这样当薄片组成时，它就有了可以用磁铁驱动的区域。”。
逆向工程一个古老的问题
为了确定在创建设计时将洞放在何处，他们借用了图像分析中的一种称为分水岭变换的数学技巧。想象一下地形图上的流域：如果你淹没了这个地区，水会流入哪个流域？研究人员用同样的想法来确定聚合物在接触之前会在哪里流动。但因为他们使用的是不同粘度的聚合物，所以它们的流动速度不同。Ushay说：“这将使分水岭变换走得更远一些。”。“你不再对空间进行变换，而是对时间进行变换。”
研究人员能够创建不同的图案，称为Voronoi细分，这取决于他们使用的孔的数量和孔之间的间距。例如，通过使用四个孔，他们可以创建方形图案，使用六个源，他们可以创建三角形。
布伦说：“令人惊讶的是，它的工作原理如此之好。”。“如果我们不以完美同步的方式开始，你可能会认为我们会得到一个稍微扭曲的模式。但事实并非如此。事情会迎头赶上。这对于方法的稳健性非常重要。”
未来的研究将着眼于如何将像素化的薄片堆叠为创建的体素或体积像素。“我们正在获得这些非常薄的薄片，”布伦说。“但我们是由3D材料制成的。”
布鲁恩说，国家科学基金会是这项工作的资助者之一，这是寻找制造业生态方法的一部分。通过利用自然特性，这项技术所需能源更少，因为它可以在室温下进行，并且不需要设计专门的建筑来运行。
这项技术也可以扩大应用于桥梁和拱门等建筑结构，或缩小应用于微观结构。
Mohamed Badaoui，前VSRC学生；Grace Kresge，CBE本科生，正在撰写毕业论文；布鲁恩实验室的前博士后助理研究员乔尔·马瑟洛特（JoelMarthelot）目前在法国艾克斯马赛大学（Aix Marseille University）也参与了这项研究。