更實(shí)用的“四維”變形打印要來(lái)了！

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

隨著一種新的打印變形材料的出現(xiàn)，根據(jù)需求重新配置自己的軟機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)植入物漸趨現(xiàn)實(shí)。萊斯大學(xué)布朗工程學(xué)院的工程師Rafael Verduzco和研究生Morgan Barnes開(kāi)發(fā)了一種在溫度、電流或壓力變化下打印變形材料的新方法。

圖1：萊斯大學(xué)用3D打印機(jī)生產(chǎn)的變形材料，通過(guò)溫度、電流或壓力的變化，實(shí)現(xiàn)了形態(tài)轉(zhuǎn)變。這個(gè)例子展示了如何實(shí)現(xiàn)印刷材料的變形。圖片來(lái)自Verduzco Laboratory/Rice University

研究人員在美國(guó)化學(xué)期刊 Applied Materials and Interfaces上將此技術(shù)稱之為“反應(yīng)式四維打印”。2018年，他們首次在模具中制造變形結(jié)構(gòu)。但是使用相同的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行三維打印只局限于同一平面的形狀上。這意味著難以形成凸起或?qū)崿F(xiàn)其他復(fù)雜的彎曲。Verduzco說(shuō)，要克服這一限制從而提升材料有用性，將打印過(guò)程與形狀“脫鉤”是重要一環(huán)?！斑@些材料一旦制造出來(lái)，就會(huì)自動(dòng)改變形狀，”Verduzco說(shuō)。“我們需要一種方法來(lái)控制這種形狀變化。我們的簡(jiǎn)單想法是連續(xù)使用多個(gè)化學(xué)反應(yīng)打印材料，然后指示它將如何改變形狀?？稍诳刂瞥跏夹螤詈妥罱K形狀方面提供更大的靈活性和更多的操作空間，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印。”

圖2：工程師Rafael Verduzco和研究生Morgan Barnes開(kāi)發(fā)在溫度、電流或壓力變化下打印變形材料的新方法。

兩大挑戰(zhàn)：
實(shí)驗(yàn)室面臨的挑戰(zhàn)之一是如何制作一種液晶聚合物“墨水”，實(shí)現(xiàn)兩組相互排斥的分子鏈接，其中一組具有最初打印的形狀，另一組通過(guò)手動(dòng)印刷和干燥材料制成。實(shí)驗(yàn)人員需要制造出一種聚合物混合物，即可以在催化劑浴中打印出來(lái)，又能保持原始形狀。一旦得以實(shí)現(xiàn)，材料就可以在加熱或冷卻等情況下來(lái)回變形。

巴恩斯說(shuō):“我們必須優(yōu)化許多參數(shù)，如使用的溶劑和催化劑以及溶脹度和油墨配方，以使油墨迅速固化實(shí)現(xiàn)打印，同時(shí)不會(huì)對(duì)期望的最終形狀產(chǎn)生抑制。

圖3：萊斯大學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用3D打印制作變形材料的過(guò)程，這些材料可能有助于制造軟機(jī)器人或作為生物醫(yī)學(xué)植入物。

實(shí)驗(yàn)室面臨的挑戰(zhàn)之二是打印支持的結(jié)構(gòu)有限，比如打印不出柱狀物。要突破此限制從而打印更復(fù)雜的形狀組合，需要一種在印刷過(guò)程中膠化能力足夠強(qiáng)的溶液。獲得這種能力將允許研究人員。

提及未來(lái)研究，巴恩斯說(shuō):“我們將進(jìn)一步優(yōu)化打印配方，并使用支架輔助打印技術(shù)來(lái)創(chuàng)建在兩種不同的復(fù)雜形狀之間過(guò)渡的傳動(dòng)裝置。一旦有所突破，就可以制造出像水母一樣的軟機(jī)器人，甚至可以制造出適合身體的可隨意改變形狀的醫(yī)療植入物。”