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神奇的新型4D打印技术:一“发烧”就变形

供稿:中国工控网 2016/9/7 13:57:53

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近日,来自麻省理工学院(MIT)和新加坡科技与设计大学(SUTD)的研究人员们开发出了一种新的4D打印技术,可以让打印出来的物体在几秒钟之内,由一种形状“自动”转变成另外一种形状,而其中只需改变一点环境的温度即可。所谓的“4D打印”比传统的3D打印引入了一个新的维度:时间,指的就是物体外形随着时间流逝,按照期望的路径发生改变。


其实4D打印技术并不是新鲜玩意儿,只要是具有“形状记忆”功能的材料都会在特定外界刺激条件下发生形变,即所谓的获得一个外界“触发器”。但是,这个新技术的特点是形变速度极快,只需几秒钟的时间,而且使用的记忆材料可以承受巨大形变。


你一发烧,药物就自动释放出来


研究这项技术的主要团队成员包括SUTD大学的葛锜(Qi “Kevin” Ge)教授、MIT“纳米光电与3D纳米制造实验室”的方绚莱(Nicholas X. Fang)教授、罗格斯大学Howon Lee教授及其他来自SUTD大学和佐治亚理工学院的研究人员。相关论文已经在8月8日发表于在线科学杂志《Scientific Reports》上。


以下是该4D打印技术展示的样品,这个小型的埃菲尔铁塔在常温下是弯曲的,但是在稍微受热之后,几秒钟之内就恢复到了原来的形状。



4D打印、快速形变、温度触发器,这些特性使得该项技术将在太阳能、医学和太空等领域具有广泛的应用。比如,制作出一个软性驱动器,调节太阳能电池板与太阳光线的角度;或者制作微型药物胶囊。


方绚莱教授说道:“我们最终是想利用人体温度作为触发器。如果我们恰当地对这些聚合物进行设计,就可以制作出一种药物传送载体。而只有当人发烧、体温上升的时候,里面的药物才能被释放出来。”


研究团队还设计出了一个“小爪子”,他们先把小爪子打开,然后将其周围空气温度升至40oC,然后小爪子就迅速收缩,抓住了下面的物件。



更特别地是,小爪子还十分“温柔”,可以灵敏地抓起鱼卵,甚至是豆腐等物体。


关键:“微立体光刻”+新型复合材料


其实很多研究人员曾试图用3d打印机制作出形状记忆物体,但是由于制作过程还停留在毫米的水平,所以就限制了材料恢复的速度。


方绚莱教授的这种技术里,使用了高分辨率投影的“微立体光刻”(Microstereolithography)技术,在微米级的水平上进行物体的设计(1毫米=1000微米,相当于一根头发丝的直径),这种技术使得材料的恢复速度变得极快。


方绚莱教授说道:“事实是,如果你能够在更微小的水平上制作,那么这些材料就会在几秒内快速恢复。以自然界的花朵为例,一朵花可以在几毫秒的时间内释放出所有的花粉,这是因为它的触发机制是在微米量级上发生的。”


与此同时,研究人员也一直在寻找理想的聚合物组合,来做出一种形状记忆材料,以适应其光刻图案。他们选中了两种聚合物,一种形状像是弯弯曲曲的意大利面,另一种交错纵横,像是建筑工地上的脚手架。他们将两种聚合物混合在一起,所形成的新材料可以承受巨大的拉伸和扭曲,而不会损坏。



这种新型复合材料的特点是:可以承受巨大的形变,可拉伸至原有形状的3倍,这比现存的任何可打印材料的变形程度都要大。


更重要的是,新材料可以“弹回”至原来的形状,即刚从打印机里出来时的形状。当它暴露在40-180oC温度下时,能在几秒内利索地恢复原形。


方绚莱教授表示:“如果能将整个制作过程降至更小的量级,我们或许能够将恢复时间缩短至几毫秒。”


审核编辑(郑益文)
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