哈佛開發(fā)出新型水凝膠4D打印結(jié)構(gòu) — 遇水即可自動(dòng)變形

4D打印是一種革命性的新技術(shù)。這一概念準(zhǔn)確的說是一種自變形材料，只要受到某些因素的刺激（比如光、熱、電、磁和振動(dòng)），就能在無需機(jī)電設(shè)備的情況下自動(dòng)變形為預(yù)設(shè)的形狀。由于具有極大的應(yīng)用前景，這種技術(shù)正在以絲毫不遜于3D打印的高速度迅猛發(fā)展著。最近，在這方面處于全球領(lǐng)先地位的哈佛大學(xué)保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）就與威斯生物工程研究所聯(lián)合開發(fā)出了一種新型的微觀4D打印結(jié)構(gòu)。

這種新型4D結(jié)構(gòu)是研究者通過3D打印技術(shù)使用一種“水凝膠墨水”制成的。該墨水是從一種含有木纖維的特殊水凝膠復(fù)合材料中提煉萃取的。由于使用了專門的材料預(yù)測模型，該結(jié)構(gòu)會(huì)在遇水后逐漸膨脹、變硬，直至完全變形為預(yù)編程的形狀。

毫無疑問，這種在外部刺激下就能自動(dòng)變形為預(yù)設(shè)形態(tài)的能力在智能織物、柔性電子產(chǎn)品、生物醫(yī)療用品和組織工程等方面都有重大的應(yīng)用價(jià)值。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種新結(jié)構(gòu)，研究者們以同樣的方法制作了兩朵“4D蘭花”。通過下面的視頻，你可以了解整個(gè)的3D打印過程以及變形效果：

兩朵4D蘭花的3D打印過程與我們熟知的常規(guī)3D打印很相似，都是由打印頭將材料擠出，再層層疊加，直至完成整個(gè)對象?！拔覀兊臄?shù)學(xué)模型精確規(guī)劃出了實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)形狀所需的打印路徑，解決了對結(jié)構(gòu)編程會(huì)遇到的最大挑戰(zhàn) — 倒轉(zhuǎn)問題，”參與項(xiàng)目開發(fā)的博士后Elisabetta Matsumoto表示，“使用完全可調(diào)與可編程的方法，我們能夠同時(shí)控制離散性和連續(xù)性?！?br />

另外，決定材料會(huì)對刺激做出怎樣反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型還可用于其它材料。也就是說可以通過交換不同的材料來協(xié)調(diào)不同的屬性，比如導(dǎo)電性和生物相容性。

“能以源于自然的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)出這些4D結(jié)構(gòu)非常棒，”已經(jīng)研究過植物卷須盤繞，花朵綻放和松果開合等自然現(xiàn)象的Mahadevan表示，“現(xiàn)在，我們能夠采用逆向工程來解決多種問題，比如局部不均勻性，打印絲的間距，這些細(xì)絲的各向異性（也就是方向）等。”

“這項(xiàng)借助多個(gè)學(xué)科力量完成的工作展現(xiàn)了可編程材料組裝方面的極大進(jìn)步，”參與開發(fā)的高級(jí)研究員Jennifer A. Lewis表示，“我們正在超越單純的變形與功能，希望進(jìn)一步創(chuàng)建出可變形的建筑。”

目前，這一具有重大應(yīng)用價(jià)值的先進(jìn)項(xiàng)目已經(jīng)得到了美國陸軍研究辦公室（ARO）和國家科學(xué)基金會(huì)材料科學(xué)與工程研究中心（MRSEC）的支持。

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