本文介绍了一项关于基于墨鱼墨纳米颗粒（CINPs）和纤维素纳米纤维（CNFs）的生物基墨水的研究，该墨水可用于制备可生物降解的图案化软执行器。该研究由Zhong Chen、Xu Zhao、Bo Gao等作者共同完成，发表在2024年的《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。研究的主要目标是开发一种能够响应外部刺激（如湿度和光）并实现复杂形变的软执行器，同时解决现有执行器材料不可再生、制备工艺复杂以及无法实现复杂形变的问题。
研究背景
软执行器能够将光、湿度、热、电场或磁场等外部能量转化为复杂的机械形变，在软机器人、医疗设备等领域具有广泛的应用前景。然而，现有的软执行器材料多依赖于不可再生资源，且制备工艺复杂、成本高昂。此外，许多执行器无法实现复杂的、可编程的形变。因此，开发一种基于可再生资源、制备工艺简单且能够实现复杂形变的软执行器具有重要意义。
研究方法
研究团队开发了一种基于CINPs和CNFs的生物基墨水，并通过直接墨水书写技术（Direct Ink Writing, DIW）制备了双层结构的软执行器。具体步骤如下：
- CINPs的制备：从墨鱼墨中提取CINPs，经过多次离心和冷冻干燥处理，最终得到纳米颗粒。
- CNF/CINP墨水的制备：将CNFs与CINPs按不同质量比混合，经过搅拌和浓缩，制备出具有良好流变性能的墨水。
- 双层执行器的制备：使用3D打印技术将CNF/CINP墨水打印在可生物降解的聚乳酸（PLA）薄膜上，形成双层结构。墨水层作为光/湿度响应层，PLA层作为热膨胀层。
- 执行器的表征：通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等手段对材料进行表征，并测试了墨水的流变性能、光热转换性能以及执行器的机械性能。
研究结果
- 墨水的流变性能：CNF/CINP墨水表现出良好的剪切稀化行为，适合通过3D打印技术进行高精度打印。墨水的粘度、屈服应力和储能模量等参数可以通过调节固体含量进行有效调控。
- 执行器的光/湿度响应性能：在光刺激下，CINPs吸收光能并转化为热能，导致墨水层收缩和PLA层膨胀，从而产生弯曲形变。在湿度刺激下，墨水层吸湿膨胀，PLA层体积保持不变，执行器向PLA层弯曲。实验表明，执行器在湿度从90%降至10%时，弯曲曲率可达5.31 cm⁻¹；在370 mW/cm²的光照下，12秒内弯曲曲率可达1.53 cm⁻¹。
- 可编程形变：通过调整墨水图案，执行器可以实现可编程的折叠和卷曲形变。例如，通过打印条纹图案，执行器可以在光或湿度刺激下产生螺旋形变。
研究意义
该研究开发了一种基于可再生资源的生物基墨水，并通过简单的3D打印技术制备了具有复杂形变能力的软执行器。这种执行器不仅具有优异的光/湿度响应性能，还具备可生物降解的特性，符合环保要求。该研究为开发下一代环境友好型软机器人提供了新的思路和方法。
研究亮点
- 材料创新：首次将CINPs与CNFs结合，开发出具有良好流变性能和光热转换性能的生物基墨水。
- 制备工艺简单：通过直接墨水书写技术，实现了软执行器的快速、可扩展制备。
- 复杂形变能力：通过调整墨水图案，执行器可以实现可编程的折叠和卷曲形变，拓展了软执行器的应用场景。
- 环境友好：所有材料均来自可再生资源，且可生物降解，符合可持续发展理念。
结论
该研究成功开发了一种基于CINPs和CNFs的生物基墨水，并通过3D打印技术制备了具有复杂形变能力的软执行器。这种执行器在光、湿度等外部刺激下表现出优异的响应性能，且具备可生物降解的特性，为环境友好型软机器人的开发提供了新的解决方案。