可在光热条件下变形的4D打印材料

寂静天花板

近日，Pittsburgh大学Swanson工程学院和Clemson大学的研究人员们开发出了一种新的混合材料，该材料当暴露在不同的光线或热刺激环境中时可以多次从新配置自己形成不同的形状。研发人员称，这项研究将光响应纤维与热响应凝胶结合了起来，在软机器人和其它仿生的4D打印辅助装置方面具有强大的应用潜力。
众所周知，3D打印技术的发展已经大大地扩展了人类制造和设计的边界，使得众多功能材料可以转化成各种各样的功能器件，比如电子产品、机械金属合金部件甚至包括活的生物细胞等。但是在大多数情况下，这些3D打印部件的构思、设计和制造都是为一个特定的目的服务的。

而增材制造的下一次革命就是将使3D打印的部件在其制造完成也能够适应不同的需求和满足各种不同的功能。如今，研究人员正在尝试通过打开“第四个维度”——时间，并利用环境诱因如光、热、振动或磁场来自组装或者重新配置以做到这一点，从而满足当前在制造、包装、机器人和生物医学领域的现有需求。这就是4D打印。正如该项研究的发起研究人员之一 Skylar Tibbit所说的：“想象一下那种无需依赖复杂的电子机械设备的那种机器人般的 行为！”

在这个4D打印研究项目中，匹兹堡大学的化工和石油工程教授Anna C. Balazs和Clemson大学的材料科学和工程助理教授Olga Kuksenok带领的团队开发出了一种计算机建模算法，该算法可以根据工作人员的设计将热响应聚合物凝胶和光敏纤维集成在一起，所得到的“混合”材料被认为具有高度的可重构性和机械强度，不仅能多次重新配置并形成不同的形状，而且也在不同的刺激条件下表现出明显不同的行为。
v4 o& D) x" t: F1 V6 k$ b. G3 A9 m例如，Balazs和Kuksenok博士发现，当被锚定到一个表面上时，该复合材料在暴露在光照之下时会向一个方向弯曲，而受到热刺激的时候则会向其它方向弯。当与表面分离时，该样品“在被加热时会像手风琴一样缩小，而被照亮时又会像一条毛毛虫那样卷曲”。这意味着，一个单一的对象可以根据它所变形的形状而实现不同的功能，而且它的行为是完全可编程、可预见和多方面的。

“在4D打印中，时间是表达该材料结构特性的第四个维度；即这些材料即使在被3D打印完成后也具有变成另一个新的形状的能力，这种变形能力就减少了为每个新的应用创建一种新的应用的可能性，因此，有可能会导致显著的成本节约。”Balazs解释说：“研究人员面临的挑战是创建一种材料，这种材料既具有强度和延展性，而当暴露于一个以上的刺激条件中时又能够显示出不同的行为。”

在本次研究中，科学家们通过向将涂覆有Spirobenzopyran（SP）发色团的光响应纤维嵌入一种对于温度敏感的凝胶来实现对单个对象的多种行为的“编程”。研究人员们还指出，通过专门定位不同纤维上SP的功能性，该复合材料能在光存在的条件下完成“隐藏”的模式。这种响应刺激的仿生运动将能够帮助柔性关节机器人在不同的光照条件下完成弯曲和伸直的运动。

这项研究最近发表在英国皇家化学会的《Materials Horizons》杂志上，论文题目是《集成了热响应凝胶和光敏纤维的复合材料的刺激响应行为（Stimuli-responsive behavior of composites integrating thermo-responsive gels with photoresponsive fibers）》。下一步Balazs、Kuksenok及其同事们的研究目标是通过对对这种纤维的定制化“编程”，使其形成形成手状的结构，并可以根据环境刺激执行抓握或者其它功能。

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