4D打印新突破——微粒体光刻打印微米级快速“变形”结构

麻省理工学院和新加坡科技设计大学(SUTD)的工程师们用光打印出能够“记忆”原来形状的三维结构。该三维结构，无论是做成花状还是一英尺高的埃菲尔铁塔形状，即使被拉伸、扭转和弯折成极端角度，都可以通过加热至“最佳温度”而在几秒钟内恢复原来的形状。目前，该研究已经可以打印出最小到人类头发尺寸的微结构，这个尺度是此前可打印形状记忆材料尺寸的十分之一。研究成果日前发表在期刊《科学报告》上。

　　3D打印形状记忆材料也被称作4D打印，即3D打印的结构可以随着第四维度——时间而发生变化。

　　为了获得形状记忆结构，一些研究者使用3D打印技术，以获得可定制的相对精细的结构。然而，使用常规的3D打印只能设计出不小于几毫米的结构。这种尺寸也限制了材料快速恢复原来形状的能力。如果能够构造更小尺寸的形状记忆结构，会具备在几秒钟内快速响应的能力。例如，花朵可在毫秒内释放花粉，因其释放机制是在微米尺度下。

　　为打印出具有更精细细节的微结构，研究人员开创了微立体光刻3D打印方法，使用来自投影仪的光打印出叠层的树脂图案。研究人员首先创建一个CAD结构模型，然后将模型划分成数百片，每一片传送至投影仪并形成一张位图图像，投影仪透过位图照射液态树脂或聚合物溶液，将图像刻蚀到树脂上，再进行固化。这样通过一层层地打印，最终形成三维结构。

　　形状记忆高分子材料可以在两种状态下切换，即较低的温度下硬的玻璃态，以及较高温度下软的橡胶态。材料的弯曲和拉伸形状可以在室温下“冻结”，当材料被加热时会“记忆”并弹回原来的形状。温度响应的形状记忆高分子材料具有非常广泛的应用前景，如控制太阳能电池板方向的柔性执行机构，以及可以在感染初期自动打开的微型药物胶囊。

　　　这项研究不仅将4D打印用于微米尺度，而且可以打印出比其他商业3D打印拉伸长度高10倍的形状记忆高分子材料。这将4D打印提升至一个更广阔的可实用的层次，如用于生物医药装置、可展开的航空结构，以及可变形的光伏太阳能电池。