徹底改變智能材料的未來，4D打印研究探索響應(yīng)性材料的新前沿

2025年4月5日，南極熊獲悉，由漢堡工業(yè)大學(xué)和法赫德國王石油礦產(chǎn)大學(xué)( KFUPM)先進(jìn)材料跨學(xué)科研究中心的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)合作研究開辟了 4D 打印的新領(lǐng)域。4D 打印是增材制造的一個(gè)分支，制造結(jié)構(gòu)會(huì)根據(jù)熱或光等環(huán)境刺激而改變形狀。研究團(tuán)隊(duì)探索了光熱驅(qū)動(dòng)、形狀記憶聚合物 (SMP) 和機(jī)器學(xué)習(xí)，以設(shè)計(jì)能夠動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的可編程材料。

相關(guān)研究以題為“Revolutionizing the Future of SmartMaterials: A Review of 4D Printing, Design, Optimization, and Machine LearningIntegration”的論文發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/admt.202401369

這項(xiàng)研究的一項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)是將吸光油墨印刷到預(yù)應(yīng)變的聚合物板上。當(dāng)受到光照時(shí)，這些油墨會(huì)產(chǎn)生熱量，并使材料沿指定的鉸鏈折疊。這種方法允許平面的 2D 基底通過均勻的光照轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的 3D 形狀。研究人員表示，“可以使用其他吸收劑來增強(qiáng)這一過程，例如在特定波長（包括可見光譜之外的波長）具有獨(dú)特光吸收的納米粒子�！彪m然目前的裝置允許單次折疊展開循環(huán)，但加入可逆 SMP 可以支持重復(fù)驅(qū)動(dòng)和更復(fù)雜的變形。

通過測量制造過程中的內(nèi)部應(yīng)變，研究人員證明收縮機(jī)制與熱觸發(fā)有關(guān)。一旦溫度升至玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上，儲(chǔ)存的應(yīng)變就會(huì)釋放。具有這種可控微結(jié)構(gòu)的熱響應(yīng)聚合物可應(yīng)用于包裝、自組裝組件和醫(yī)療設(shè)備。然而，以高保真度創(chuàng)建這些特征仍然是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。論文強(qiáng)調(diào)：“制造具有可控微結(jié)構(gòu)的熱收縮聚合物仍然具有挑戰(zhàn)性，但 3DP 技術(shù)通過創(chuàng)建復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)提供了一種解決方案�！�

△智能材料在航空航天、土木工程、機(jī)器人和醫(yī)療保健等領(lǐng)域的應(yīng)用。圖片來自 ResearchGate。

金屬合金和基于激光的 3D 打印

研究還探索了使用激光粉末床熔合 (LPBF) 進(jìn)行鎳鈦 (NiTi) 形狀記憶合金的增材制造。天津大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，調(diào)整激光能量密度會(huì)影響孔隙率、機(jī)械一致性和形狀恢復(fù)性能。東南大學(xué)的團(tuán)隊(duì)專注于通過精確的工藝調(diào)整形成分層微結(jié)構(gòu)來減少后處理要求。這些發(fā)現(xiàn)有望提高拉伸強(qiáng)度和抗疲勞性。

然而，研究結(jié)果之間仍然存在不一致。一篇論文強(qiáng)調(diào)消除熱處理可以節(jié)省成本，而另一篇論文則警告稱，工藝控制不佳可能會(huì)導(dǎo)致孔隙率和機(jī)械性能下降。作者指出，“關(guān)于后熱處理的要求，各研究之間存在爭議�！睘榱私鉀Q這種差異，研究人員建議采用標(biāo)準(zhǔn)化的工藝參數(shù)、更好的模擬工具，并探索除 NiTi 以外的替代合金，以滿足行業(yè)對能量吸收和疲勞耐久性的需求。

機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)步使 4D 打印結(jié)構(gòu)的預(yù)測建模取得了重大突破。研究人員應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN)、生成對抗網(wǎng)絡(luò) (GAN) 和強(qiáng)化學(xué)習(xí)，將體素和像素級材料輸入映射到預(yù)測輸出，例如剛度、模量和應(yīng)變響應(yīng)。

△松果、蜘蛛絲、珍珠層和膠原蛋白等天然智能材料啟發(fā)了響應(yīng)式 4D 結(jié)構(gòu)。圖片來自 ResearchGate。

正向預(yù)測模型使用這些輸入陣列來模擬制造前的變形行為和結(jié)構(gòu)特性。一種常見的方法是使用分層或基于各向異性的微結(jié)構(gòu)模板來限制設(shè)計(jì)空間。例如，研究人員“使用各種基于各向異性的基本設(shè)計(jì)來預(yù)測復(fù)合材料的機(jī)械性能，從而產(chǎn)生快速優(yōu)化模式�！�

逆向設(shè)計(jì)模型從相反的方向解決問題：從所需的機(jī)械性能開始，計(jì)算必要的材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。西北大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種方法，使用監(jiān)督學(xué)習(xí)將剛度值與拓?fù)漭斎腙P(guān)聯(lián)起來，并使用正向模擬驗(yàn)證結(jié)果。另一種方法訓(xùn)練 GAN 生成 2D 和 3D 晶格結(jié)構(gòu)，然后應(yīng)用高斯過程回歸來預(yù)測恢復(fù)應(yīng)力張量。

生成模型因其在海量設(shè)計(jì)空間中導(dǎo)航的能力而日益受到重視。通過使用變分自動(dòng)編碼器將微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)編碼為緊湊的潛在變量，研究人員能夠?qū)��?fù)雜材料進(jìn)行逆向工程，同時(shí)保持可制造性�！敖獯a器將兩個(gè)空間都轉(zhuǎn)換為初始結(jié)構(gòu)，”研究解釋說，從而可以重新生成具有目標(biāo)屬性的物理模型。

△4D 打印材料的示例：水凝膠、液晶彈性體、磁性復(fù)合材料和 SMP。圖片來自 ResearchGate。

持續(xù)的材料和工藝限制

盡管算法取得了進(jìn)步，但硬件和材料方面的挑戰(zhàn)依然存在。大多數(shù)商業(yè)平臺(tái)僅支持有限的聚合物類型（例如 PLA、ABS、PETG 和 PC），不包括具有危險(xiǎn)煙霧、高熔點(diǎn)或流變性差的材料。由于安全和設(shè)備限制，通過導(dǎo)電聚合物（例如聚吡咯）進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)仍處于實(shí)驗(yàn)階段。

金屬材料也面臨障礙。雖然鈦、鋁和不銹鋼是常規(guī)打印材料，但活性金屬和陶瓷通常與當(dāng)前的噴嘴和熱管理系統(tǒng)不兼容。除非嚴(yán)格控制熱和機(jī)械兼容性，否則不同物質(zhì)之間的材料界面可能會(huì)出現(xiàn)分層或裂紋。

使用熔融絲制造 (FFF)、多噴射建�；蛑苯幽�水書寫的高分辨率 3D 打印機(jī)很難解決懸垂結(jié)構(gòu)、彎曲的內(nèi)部空隙或沒有支撐支架的互鎖特征。一些策略（例如犧牲材料或嵌入不可壓縮流體）試圖緩解這些問題，但在后處理中引入了新的復(fù)雜性。

△4D 打印形式包括膨脹晶格、仿生夾持器和形狀記憶物體。圖片來自 ResearchGate。

基于SMP的4D打印結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)出單向變形，不適合需要循環(huán)或可逆驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)指出，“即使是最輕微的偏差也會(huì)被放大，導(dǎo)致變形形狀、變形范圍和響應(yīng)速度出現(xiàn)重大誤差�！�

水凝膠和 SMP 等材料特別容易因長時(shí)間暴露在熱、機(jī)械和濕氣中而發(fā)生降解。反復(fù)的驅(qū)動(dòng)循環(huán)會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力積累、斷裂和性能下降。在各向異性 FFF 打印中，細(xì)絲方向的變化使應(yīng)力分布和恢復(fù)行為更加復(fù)雜。

研究人員呼吁提高打印機(jī)分辨率、加快原型制作速度和延長疲勞壽命的材料。增強(qiáng)界面附著力、減少熱失配和開發(fā)更強(qiáng)大的模擬協(xié)議也是使復(fù)雜的 4D 打印系統(tǒng)更接近商業(yè)用途的必要條件。