近日，Pittsburgh大學(xué)Swanson工程學(xué)院和Clemson大學(xué)的研究人員們開發(fā)出了一種新的混合材料，該材料當(dāng)暴露在不同的光線或熱刺激環(huán)境中時(shí)可以多次從新配置自己形成不同的形狀。研發(fā)人員稱，這項(xiàng)研究將光響應(yīng)纖維與熱響應(yīng)凝膠結(jié)合了起來(lái)，在軟機(jī)器人和其它仿生的4D打印輔助裝置方面具有強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。
眾所周知，3D打印技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)大大地?cái)U(kuò)展了人類制造和設(shè)計(jì)的邊界，使得眾多功能材料可以轉(zhuǎn)化成各種各樣的功能器件，比如電子產(chǎn)品、機(jī)械金屬合金部件甚至包括活的生物細(xì)胞等。但是在大多數(shù)情況下，這些3D打印部件的構(gòu)思、設(shè)計(jì)和制造都是為一個(gè)特定的目的服務(wù)的。
而增材制造的下一次革命就是將使3D打印的部件在其制造完成也能夠適應(yīng)不同的需求和滿足各種不同的功能。如今，研究人員正在嘗試通過(guò)打開“第四個(gè)維度”——時(shí)間，并利用環(huán)境誘因如光、熱、振動(dòng)或磁場(chǎng)來(lái)自組裝或者重新配置以做到這一點(diǎn)，從而滿足當(dāng)前在制造、包裝、機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的現(xiàn)有需求。這就是4D打印。正如該項(xiàng)研究的發(fā)起研究人員之一 Skylar Tibbit所說(shuō)的：“想象一下那種無(wú)需依賴復(fù)雜的電子機(jī)械設(shè)備的那種機(jī)器人般的 行為！”
在這個(gè)4D打印研究項(xiàng)目中，匹茲堡大學(xué)的化工和石油工程教授Anna C. Balazs和Clemson大學(xué)的材料科學(xué)和工程助理教授Olga Kuksenok帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種計(jì)算機(jī)建模算法，該算法可以根據(jù)工作人員的設(shè)計(jì)將熱響應(yīng)聚合物凝膠和光敏纖維集成在一起，所得到的“混合”材料被認(rèn)為具有高度的可重構(gòu)性和機(jī)械強(qiáng)度，不僅能多次重新配置并形成不同的形狀，而且也在不同的刺激條件下表現(xiàn)出明顯不同的行為。
例如，Balazs和Kuksenok博士發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被錨定到一個(gè)表面上時(shí)，該復(fù)合材料在暴露在光照之下時(shí)會(huì)向一個(gè)方向彎曲，而受到熱刺激的時(shí)候則會(huì)向其它方向彎。當(dāng)與表面分離時(shí)，該樣品“在被加熱時(shí)會(huì)像手風(fēng)琴一樣縮小，而被照亮?xí)r又會(huì)像一條毛毛蟲那樣卷曲”。這意味著，一個(gè)單一的對(duì)象可以根據(jù)它所變形的形狀而實(shí)現(xiàn)不同的功能，而且它的行為是完全可編程、可預(yù)見(jiàn)和多方面的。
“在4D打印中，時(shí)間是表達(dá)該材料結(jié)構(gòu)特性的第四個(gè)維度；即這些材料即使在被3D打印完成后也具有變成另一個(gè)新的形狀的能力，這種變形能力就減少了為每個(gè)新的應(yīng)用創(chuàng)建一種新的應(yīng)用的可能性，因此，有可能會(huì)導(dǎo)致顯著的成本節(jié)約。”Balazs解釋說(shuō)：“研究人員面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)建一種材料，這種材料既具有強(qiáng)度和延展性，而當(dāng)暴露于一個(gè)以上的刺激條件中時(shí)又能夠顯示出不同的行為。”
在本次研究中，科學(xué)家們通過(guò)向?qū)⑼扛灿?/span>Spirobenzopyran（SP）發(fā)色團(tuán)的光響應(yīng)纖維嵌入一種對(duì)于溫度敏感的凝膠來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)對(duì)象的多種行為的“編程”。研究人員們還指出，通過(guò)專門定位不同纖維上SP的功能性，該復(fù)合材料能在光存在的條件下完成“隱藏”的模式。這種響應(yīng)刺激的仿生運(yùn)動(dòng)將能夠幫助柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人在不同的光照條件下完成彎曲和伸直的運(yùn)動(dòng)。
這項(xiàng)研究最近發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)的《Materials Horizons》雜志上，論文題目是《集成了熱響應(yīng)凝膠和光敏纖維的復(fù)合材料的刺激響應(yīng)行為（Stimuli-responsive behavior of composites integrating thermo-responsive gels with photoresponsive fibers）》。下一步Balazs、Kuksenok及其同事們的研究目標(biāo)是通過(guò)對(duì)對(duì)這種纖維的定制化“編程”，使其形成形成手狀的結(jié)構(gòu)，并可以根據(jù)環(huán)境刺激執(zhí)行抓握或者其它功能。
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