在現代科技的浪潮中，電靜力設備因其快速響應、高能量密度和低噪音等特性，被廣泛應用于執行器、傳感器和粘附裝置等領(lǐng)域。然而，傳統的電靜力設備制造方法大多依賴(lài)于逐層堆疊技術(shù)，這種方法不僅耗時(shí)，而且限制了設計的靈活性和設備的性能。

近年來(lái)，隨著(zhù)3D打印技術(shù)的興起，研究人員開(kāi)始探索如何利用這一技術(shù)突破傳統制造方法的局限，實(shí)現復雜電靜力系統的快速開(kāi)發(fā)。傳統的電靜力設備制造方法，如刮刀涂層和旋涂法，雖然技術(shù)成熟，但存在諸多問(wèn)題。首先，這些方法通常只能制造簡(jiǎn)單的平面幾何結構，難以實(shí)現復雜的三維電靜力結構。其次，由于制造過(guò)程中的缺陷，這些方法容易導致設備性能不穩定。此外，傳統的模具方法雖然可以制造更復雜的幾何結構，但對材料的流動(dòng)性要求較高，限制了材料的選擇范圍，并且多材料模具制造的復雜性也限制了其在更廣泛應用中的可擴展性。盡管已有研究致力于提升電靜力設備的結構和性能，但大多數現有制造技術(shù)仍處于非自動(dòng)化階段，限制了其可擴展性和設計復雜性。

基于此，研究人員開(kāi)始探索通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)改善制造工藝，例如利用熔融沉積建模（FDM）制造全3D打印的電粘附裝置，或通過(guò)數字光處理（DLP）制造多層電靜力執行器。然而，這些方法要么只能部分實(shí)現3D打印，要么對材料和結構的復雜性要求較高，難以滿(mǎn)足全3D打印電靜力設備的需求。直接墨水寫(xiě)（DIW）作為一種基于擠壓的3D打印技術(shù)，已被用于制造介電設備，包括介電彈性體執行器。然而，這些方法通常只能制造平面設備，需要通過(guò)卷曲或堆疊才能實(shí)現所需的三維結構。同軸打印技術(shù)為這一問(wèn)題提供了新的解決方案，但目前的同軸打印方法大多只能制造圓形同軸纖維，限制了纖維之間的相互作用面積，從而影響了電靜力設備的性能和應用范圍。因此，開(kāi)發(fā)能夠制造更復雜結構且具有高分辨率的新型打印方法，以提升電靜力設備的性能，成為了當前研究的重要方向。

來(lái)自南洋理工大學(xué)王一凡教授課題組提出了一種基于直接墨水寫(xiě)（DIW）技術(shù)的制造方法，用于生產(chǎn)具有可定制截面形狀的同軸電靜力纖維（CEFs）。這種纖維的導電核心由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和碳黑（CB）組成，而介電外殼則由高介電常數的硅樹(shù)脂（SE 1700）、鈦酸鋇顆粒（BTO）和碳黑混合而成。其中，實(shí)驗中的同軸噴嘴是采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S140，精度：10μm）制備而成，成型材料選用摩方HTL樹(shù)脂。

相關(guān)研究以“Direct ink writing of coaxial electrostatic fibers with customizable cross-sections and functional properties"為題發(fā)表在國際期刊《Additive Manufacturing》上。

通過(guò)優(yōu)化墨水的流變性質(zhì)，研究人員成功制造了多種幾何結構，包括一維纖維、二維網(wǎng)格和分層結構，以及三維線(xiàn)圈和網(wǎng)格結構。與傳統手工制造和現有3D打印方法相比，這種方法不僅能夠使用多種材料制造復雜結構，還能實(shí)現對纖維核心直徑和外殼厚度的高精度控制。研究人員通過(guò)改變噴嘴形狀和調整流速比，實(shí)現了不同截面形狀（如圓形、三角形和矩形）的纖維制造，并將外殼厚度控制在薄至33μm。這種技術(shù)不僅顯著(zhù)提升了電靜力設備的設計靈活性，還提高了其性能，為電靜力設備在執行器、機器人和觸覺(jué)界面等領(lǐng)域的應用提供了更廣闊的可能性。

研究人員進(jìn)一步展示了這些打印電靜力結構在電靜力離合器和電驅動(dòng)形狀變形結構中的應用。實(shí)驗結果表明，通過(guò)調整纖維的截面形狀和外殼厚度，可以顯著(zhù)增強電靜力設備的性能。例如，三角形截面的纖維結構由于其更大的接觸面積，能夠產(chǎn)生更強的電靜力，從而在不增加設備尺寸或電壓需求的情況下，實(shí)現更高的力響應。此外，研究人員還通過(guò)打印具有梯形截面的纖維，制造了一種電驅動(dòng)形狀變形結構，該結構能夠在施加電壓后從平面結構轉變?yōu)槿S管狀結構，展示了其在形狀變形領(lǐng)域的巨大潛力。

總結：

這項研究通過(guò)直接墨水寫(xiě)技術(shù)成功制造了具有可定制截面形狀和功能特性的同軸電靜力纖維，為電靜力設備的制造提供了一種全新的高效、靈活的解決方案。研究人員通過(guò)優(yōu)化導電和介電墨水的配方，實(shí)現了對纖維截面形狀、外殼厚度和力學(xué)性能的精確控制，并展示了其在電靜力離合器和電驅動(dòng)形狀變形結構中的應用潛力。

在電靜力離合器的應用中，研究人員通過(guò)改變纖維的截面形狀和外殼厚度，顯著(zhù)提升了離合器的性能。例如，三角形截面的纖維結構由于其更大的接觸面積，能夠產(chǎn)生更強的電靜力，從而在不增加設備尺寸或電壓需求的情況下，實(shí)現更高的力響應。這種設計不僅提高了設備的性能，還為電靜力設備在可穿戴設備和機器人技術(shù)中的應用提供了新的可能性。

在電驅動(dòng)形狀變形結構的實(shí)驗中，研究人員通過(guò)打印具有梯形截面的纖維，成功制造了一種能夠在施加電壓后從平面結構轉變?yōu)槿S管狀結構的裝置。這一成果展示了同軸電靜力纖維在形狀變形領(lǐng)域的巨大潛力，為未來(lái)開(kāi)發(fā)更復雜、更高效的變形結構提供了新的思路。

盡管取得了顯著(zhù)的成果，但研究人員也指出，當前的制造方法仍面臨一些挑戰。例如，現有的熱固化過(guò)程限制了復雜三維結構的制造，而纖維的小型化（小于400μm）也存在困難。此外，設備的高工作電壓（數千伏）也帶來(lái)了安全問(wèn)題，限制了其在小型可穿戴設備中的應用。