黑科技！新型復(fù)合4D打印材料，光熱刺激下變身為不同形態(tài)
魔猴君 行業(yè)資訊 3293天前
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），就能在無需機(jī)電設(shè)備的情況下自動變形為預(yù)設(shè)的形狀。之前的4D打印材料多是記憶合金，而現(xiàn)在，這份名單上又加入了一位新成員，它就是最近由匹茲堡大學(xué)Swanson工程學(xué)院和克萊姆森大學(xué)的研究者們聯(lián)合開發(fā)出的一種全新的復(fù)合材料。這種新型4D打印材料是通過將熱敏凝膠與光敏纖維相結(jié)合開發(fā)出來的，能夠在不同強(qiáng)度光和熱的刺激下多次變形為不同的形狀，有很大的潛力用于柔性機(jī)器人和仿生學(xué)4D打印自適應(yīng)設(shè)備。
由于能夠自由將不同屬性的材料塑造成具有特定功能的形態(tài)，當(dāng)前火熱的3D打印技術(shù)已經(jīng)成為了制造與設(shè)計(jì)領(lǐng)域的有力工具。不過大部分由這種技術(shù)打造出的物體都只能實(shí)現(xiàn)某種單一的功能。于是，在打印成型后也能按需實(shí)現(xiàn)多種不同功能就成為了人們對下一代技術(shù)的期望，而4D打印正在令這種愿景成為現(xiàn)實(shí)。
據(jù)中國3D打印第一互動媒體平臺南極熊了解，這種新型復(fù)合4D打印材料是由匹茲堡大學(xué)化學(xué)與石油工程系的教授Anna C. Balazs與克萊姆森大學(xué)材料科學(xué)工程系的副教授Olga Kuksenok合作開發(fā)的。他們開發(fā)了一種計(jì)算模型，能夠設(shè)計(jì)合成熱敏聚合物凝膠和光敏纖維。最終的成果 — 復(fù)合4D打印材料同時具有很高的可重構(gòu)性和機(jī)械強(qiáng)度，不但可以多次變形為不同形狀，而且在不同的刺激下會表現(xiàn)出不同的反應(yīng)。
舉例來說，在光線照射下，由這種材料制成的某個樣品會向一個方向彎曲，而受到熱刺激時則會向另一個方向彎曲；另一個樣品在光照下會像毛蟲一樣卷曲，而受到熱刺激則會像手風(fēng)琴一樣收縮。這就意味著由這種材料制成的單一物體是可以通過編程實(shí)現(xiàn)多種不同功能的。
“有了4D打印材料這種變形能力，為實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用制造新部件就不再是必需，而這可以大大降低成本，”Balazs教授表示，“目前，研究的任務(wù)就是創(chuàng)造出一種全能材料，同時具備足夠的強(qiáng)度和可塑性，又能在面對不止一種刺激時做出不同的反應(yīng)?！?
通過向熱敏凝膠中植入涂有SP涂料的光敏纖維就可以實(shí)現(xiàn)這種單一物體面對不同刺激時的多種反應(yīng)。研究者還表示，通過在纖維上進(jìn)行SP的局部化，復(fù)合材料還能實(shí)現(xiàn)只對光線有反應(yīng)的“隱藏”模式。這種仿生學(xué)的刺激響應(yīng)動作有很大的潛在應(yīng)用價值，比如用于需要實(shí)現(xiàn)多種不同彎曲動作的柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)。
目前，兩名研究者已經(jīng)將相關(guān)的研究內(nèi)容發(fā)表到了英國皇家化學(xué)學(xué)會的學(xué)術(shù)期刊Materials Horizons上，標(biāo)題是《融合了光敏纖維與熱敏凝膠的復(fù)合材料的多刺激反應(yīng)行為》。未來的研究會將目標(biāo)集中到如何實(shí)現(xiàn)纖維的自定義排列，從而制造出可做出抓握動作的手形結(jié)構(gòu)。
