MIT新型4D打印技术

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（NicholasX.Fang）教授、罗格斯大学HowonLee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《ScientificReports》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。”

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