全新3D打印技术可进行翻转变化带来全新的形状

北京时间6月10日消息，外媒报道称，美国莱斯大学研究人员开发出全新3D打印技术（他们称之为“4D”），这种技术可以让3D打印材料在受到电流、温度或简单压力的作用下自动改变形状。该团队生产出了一种带有两组独特分子链的液晶聚合物“墨水”，分别是原始打印形状和通过操纵材料制成的形状。在这种情况下，科学家只需加热或冷却原始打印材料，使其在平坦表面和凹凸表面之间进行翻转等变化，就会带来全新的形状。

那什么是4D打印呢？就是将时间和运动元素引入3D打印。它并不是一项全新的技术，一段时间以来，全球各地的研究人员一直在开发遇水、热等因子会变形的各种不同打印材料。大部分现有4D打印研究依赖于水凝胶的使用，但水凝胶非常柔软，变形后难以保持形状。三所高校的最新联合研究正好弥补了这方面的不足。

该研究最近发表在《Science Advances》杂志上，题目为“通过活性复合材料的直接4D打印”。新技术涉及3D打印一层层的形状记忆聚合物（SMP），而每一层经过编程会对受热有不同的反应。SMP是一种智能聚合物，可“记住”其原始形状，在受热时会变成预定的形状。

“通过将机械编程后处理步骤直接整合到3D打印过程中，新方法大大简化了4D打印并增加了它的潜能。这允许用计算机模拟来设计高分辨率的3D打印件，3D打印完成后，通过简单的加热，可将其直接而快速地转换成新的永久结构，”研究人员解释说。

为了展示新的3D打印技术，研究团队制作了许多不同的可变形物体，其中包括一朵相当复杂的花，遇到热水时，它的花瓣会收缩和弯曲，以及一个晶格结构，放入热水时，其大小几乎可扩展为原始尺寸的八倍。转换所需的时间极短，在五秒钟左右，这比以前的水凝胶4D打印技术要快得多。通过设置各种打印参数，研究人员还能在一定程度上控制最终的转换形状。

“在室温下，我们的复合材料中有一种柔软的材料，可被编程以包含内部应力，而另一种材料是硬的。我们用计算模拟来设计复合材料组件，其中刚性材料有一个可防止柔软材料在3D打印后释放被编程的内部应力的形状和尺寸。加热时，刚性材料会软化，并允许柔软材料释放应力，从而让打印件的形状发生变化。这个过程通常很戏剧，”研究人员解释说。

虽然该技术仍处于初期阶段，但已经显示出许多潜在的应用可能性。例如，4D打印物体在创建紧凑的堆叠或卷状结构时可能会极其有用，这些结构运送起来很简单，然后可在需要时进行扩展。有一天，该技术甚至可能会让打印物体对光，甚至电等不同刺激作出反应。

SUTD教授Martin L. Dunn表示，该技术“可在生物医学设备、3D电子产品和消费类产品上有无数应用”，并补充说，“甚至为产品设计开创了一种新范式，开发人员不仅要设计最初的产品，还要为其在后续服务中的多种模式进行设计。”

这一技术如今的缺点是不能打印不受支持的结构，这就限制了进行多样的形状组合的可能性。同时，也没有直接的迹象表明它已经为现实世界所需的大规模生产做好了准备，其任何用途的实现都可能需要数年时间。

研究人员称，他们目前面临的挑战是如何制造出一种聚合物混合物，并且其可以在催化剂中打印出来，而不会破坏形状。尽管如此，它的作用还是显而易见的，其更容易帮助创造出适应周围世界的机器人，包括可像水母一样移动的软体机器人，以及根据人的身体进行自我配置的可改变形状的医用植入物。

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