仿生染色，復旦大學研究人員開發(fā)出更環(huán)保的3D打印彩色部件新方法

2022年6月1日，南極熊獲悉，來自復旦大學的研究人員開發(fā)了一種為3D打印部件添加顏色的新方法，據(jù)說這種方法生產(chǎn)的產(chǎn)品比傳統(tǒng)的染色或色素要安全得多。

科學家們開發(fā)出了一種新型生物相容性墨水，所制備的部件能夠通過感應熱或光的刺激，以實現(xiàn)"結(jié)構(gòu)著色"改變外觀。研究團隊表示，他們的墨水材料可用來打印可穿戴的生物傳感器以及安全的兒童玩具。

研究團隊在他們的論文中解釋道："這種液晶墨水保持了一種膽固醇液態(tài)結(jié)晶狀態(tài)，產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性顏色，我們相信它可以實現(xiàn)新一代環(huán)境友好型的光固化3D打印。"

△一個3D打印部件在不同的熱條件下改變顏色。圖片來自《南華早報》。

克服傳統(tǒng)染色的毒性

在我們的日常生活中，一些像頭發(fā)和衣服染料類的消費產(chǎn)品，往往會導致用戶的健康問題?？沙掷m(xù)服裝運動組織good on you甚至表示如今生產(chǎn)衣服中所使用的許多染料都是致癌的，例如"偶氮染料"。雖然這種臭名昭著的染料在歐盟已被禁止，但它們在全球的其他地方仍被廣泛使用。。

受此啟發(fā)，研究人員對用于3D打印長絲著色的顏料產(chǎn)生了興趣。這些用于著色料絲的添加劑因材料而異，它們往往會因為富集而導致超過某一些濃度產(chǎn)生毒性。這就是為什么要進行如此廣泛的研究，以確定零件是否符合食品或皮膚接觸的 "安全性"，因為在這些領(lǐng)域有可能出現(xiàn)交叉污染。

也就是說，在許多情況下，熔融長絲制造的3D打印部件的顏色對其最終應用仍然至關(guān)重要，無論是逼真的臨床模型還是桌面人物。因此，上海復旦大學、南京東南大學和中國科學院大學的研究人員尋求一種解決方案。如今，他們已經(jīng)在自然界中找到了答案。

具體來講，科學家們嘗試復制一種被稱為結(jié)構(gòu)性著色的效果，這種效果在蝴蝶和孔雀等動物中經(jīng)常見到，它們的這種特性可以被用到偽裝、吸引配偶以及其他各種用途中。在實踐中，這種現(xiàn)象通過微觀結(jié)構(gòu)的表面創(chuàng)造出顏色的錯覺，其精細程度足以干擾可見光，通常不需要色素就能做到。

這項研究的主要作者商洛然表示："當材料被照亮時，光源的一些波長被反射，創(chuàng)造出我們所看到的顏色。在自然界中，這就是蝴蝶和昆蟲、變色龍和一些植物的翅膀上雖然不含顏料，但卻可以呈現(xiàn)出鮮艷顏色和金屬色的原因。結(jié)構(gòu)性著色是基于物理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的顏色，它更加穩(wěn)定，不會輕易褪色。"

△該團隊使用仿生墨水3D打印的一些原型。圖片來自張卓浩。

一種 "結(jié)構(gòu)著色"的3D打印墨水

為了配制他們的新型3D打印材料，研究人員將明膠和水凝膠與羥丙基纖維素（HPC）和膽固醇纖維素液晶（CLCs）相結(jié)合。使用HPC作為 "構(gòu)件"，研究小組發(fā)現(xiàn)他們能夠開發(fā)出能夠創(chuàng)造出明亮和金屬顏色的CLC，而熱反應水凝膠的整合使得這一過程能夠被紫外線觸發(fā)。

為了評估他們的材料的變色能力，科學家們接著在平坦的表面上3D打印出不同形狀的原型，如錫紙和實驗臺。據(jù)說這些部件在每一種情況下，都根據(jù)提示改變了外觀，因此該團隊現(xiàn)在聲稱他們正在研究改進其配方的方法，例如用自然衍生的替代品取代其水凝膠。

研究人員表示通過這樣做，有可能使他們的墨水可以食用，為其提供一個新的潛在市場來開發(fā)。該團隊還在研究使用他們的材料在彎曲的表面上制造零件的可能性。從理論上講，這可以使復雜的部件得以產(chǎn)生，如兒童玩具中的部件，由于明顯的原因，這些部件必須符合某些無毒標準。

研究的共同作者羅冉總結(jié)說："未來我們將進一步修改墨水的配方。目前，物體只能被打印在平面上。我們希望該技術(shù)在未來能夠適應不同形狀的曲面，如蘋果。"

△采取類似于仿生的手段，美國陸軍去年為一種在光學部件上應用類似飛蛾的"變形涂層 "的方法申請了專利。照片來自Rúben Marques。

仿生增材制造

國內(nèi)科學家所開發(fā)的這種新材料確實讓人眼前一亮，但令人驚訝的是，自然界已經(jīng)不是第一次成為3D打印創(chuàng)新的來源了。就在去年，美國陸軍夜視實驗室的科學家們成功開發(fā)了一種獨特的3D打印滾筒，能夠在軍事裝備上沖壓出能使飛蛾隱形的圖案。

與此同時，浙江大學的研究人員將墨魚作為靈感，開發(fā)了具有獨特能量吸收能力的仿生細胞狀結(jié)構(gòu)。該團隊表示，這種部件可以應用于飛機、裝甲、車輛或建筑的制造中，其重量超輕，但仍能承受自身重量2萬倍的變形。

國立臺灣科技大學的科學家也從海洋生物中獲得了靈感，他們也設計出了模仿海膽形態(tài)的新晶格3D打印結(jié)構(gòu)。利用這種生物的機械穩(wěn)定和承重形狀，研究團隊已經(jīng)能夠建立更有效的無支撐部件。