可在光熱條件下變形的4D打印材料

寂靜天花板

   近日，Pittsburgh大學(xué)Swanson工程學(xué)院和Clemson大學(xué)的研究人員們開發(fā)出了一種新的混合材料，該材料當(dāng)暴露在不同的光線或熱刺激環(huán)境中時可以多次從新配置自己形成不同的形狀。研發(fā)人員稱，這項研究將光響應(yīng)纖維與熱響應(yīng)凝膠結(jié)合了起來，在軟機(jī)器人和其它仿生的4D打印輔助裝置方面具有強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。
' }+ I% r8 J7 ~" v1 ^- Q眾所周知，3D打印技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)大大地擴(kuò)展了人類制造和設(shè)計的邊界，使得眾多功能材料可以轉(zhuǎn)化成各種各樣的功能器件，比如電子產(chǎn)品、機(jī)械金屬合金部件甚至包括活的生物細(xì)胞等。但是在大多數(shù)情況下，這些3D打印部件的構(gòu)思、設(shè)計和制造都是為一個特定的目的服務(wù)的。

     而增材制造的下一次革命就是將使3D打印的部件在其制造完成也能夠適應(yīng)不同的需求和滿足各種不同的功能。如今，研究人員正在嘗試通過打開“第四個維度”——時間，并利用環(huán)境誘因如光、熱、振動或磁場來自組裝或者重新配置以做到這一點，從而滿足當(dāng)前在制造、包裝、機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的現(xiàn)有需求。這就是4D打印。正如該項研究的發(fā)起研究人員之一 Skylar Tibbit所說的：“想象一下那種無需依賴復(fù)雜的電子機(jī)械設(shè)備的那種機(jī)器人般的 行為！”

在這個4D打印研究項目中，匹茲堡大學(xué)的化工和石油工程教授Anna C. Balazs和Clemson大學(xué)的材料科學(xué)和工程助理教授Olga Kuksenok帶領(lǐng)的團(tuán)隊開發(fā)出了一種計算機(jī)建模算法，該算法可以根據(jù)工作人員的設(shè)計將熱響應(yīng)聚合物凝膠和光敏纖維集成在一起，所得到的“混合”材料被認(rèn)為具有高度的可重構(gòu)性和機(jī)械強(qiáng)度，不僅能多次重新配置并形成不同的形狀，而且也在不同的刺激條件下表現(xiàn)出明顯不同的行為。
" K7 J$ W0 P( C  G6 z7 z. n5 C; ]例如，Balazs和Kuksenok博士發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被錨定到一個表面上時，該復(fù)合材料在暴露在光照之下時會向一個方向彎曲，而受到熱刺激的時候則會向其它方向彎。當(dāng)與表面分離時，該樣品“在被加熱時會像手風(fēng)琴一樣縮小，而被照亮?xí)r又會像一條毛毛蟲那樣卷曲”。這意味著，一個單一的對象可以根據(jù)它所變形的形狀而實現(xiàn)不同的功能，而且它的行為是完全可編程、可預(yù)見和多方面的。

   “在4D打印中，時間是表達(dá)該材料結(jié)構(gòu)特性的第四個維度；即這些材料即使在被3D打印完成后也具有變成另一個新的形狀的能力，這種變形能力就減少了為每個新的應(yīng)用創(chuàng)建一種新的應(yīng)用的可能性，因此，有可能會導(dǎo)致顯著的成本節(jié)約。”Balazs解釋說：“研究人員面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)建一種材料，這種材料既具有強(qiáng)度和延展性，而當(dāng)暴露于一個以上的刺激條件中時又能夠顯示出不同的行為。”

     在本次研究中，科學(xué)家們通過向?qū)⑼扛灿蠸pirobenzopyran（SP）發(fā)色團(tuán)的光響應(yīng)纖維嵌入一種對于溫度敏感的凝膠來實現(xiàn)對單個對象的多種行為的“編程”。研究人員們還指出，通過專門定位不同纖維上SP的功能性，該復(fù)合材料能在光存在的條件下完成“隱藏”的模式。這種響應(yīng)刺激的仿生運動將能夠幫助柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人在不同的光照條件下完成彎曲和伸直的運動。

   這項研究最近發(fā)表在英國皇家化學(xué)會的《Materials Horizons》雜志上，論文題目是《集成了熱響應(yīng)凝膠和光敏纖維的復(fù)合材料的刺激響應(yīng)行為（Stimuli-responsive behavior of composites integrating thermo-responsive gels with photoresponsive fibers）》。下一步Balazs、Kuksenok及其同事們的研究目標(biāo)是通過對對這種纖維的定制化“編程”，使其形成形成手狀的結(jié)構(gòu)，并可以根據(jù)環(huán)境刺激執(zhí)行抓握或者其它功能。

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