MIT新型4D打印技術

近日，來自麻省理工學院（MIT）和新加坡科技與設計大學（SUTD）的研究人員們開發出了一種新的4D打印技術，可以讓打印出來的物體在幾秒鐘之內，由一種形狀“自動”轉變成另外一種形狀，而其中只需改變一點環境的溫度即可。

　　所謂的“4D打印”比傳統的3D打印引入了一個新的維度：時間，指的就是物體外形隨著時間流逝，按照期望的路徑發生改變。

　　其實4D打印技術并不是新鮮玩意兒，只要是具有“形狀記憶”功能的材料都會在特定外界刺激條件下發生形變，即所謂的獲得一個外界“觸發器”。但是，這個新技術的特點是形變速度極快，只需幾秒鐘的時間，而且使用的記憶材料可以承受巨大形變。

　　你一發燒，藥物就自動釋放出來

　　研究這項技術的主要團隊成員包括SUTD大學的葛锜（Qi"Kevin"Ge）教授、MIT"納米光電與3D納米制造實驗室"的方絢萊（NicholasX.Fang）教授、羅格斯大學HowonLee教授及其他來自SUTD大學和佐治亞理工學院的研究人員。相關論文已經在8月8日發表于在線科學雜志《ScientificReports》上。

　　以下是該4D打印技術展示的樣品，這個小型的埃菲爾鐵塔在常溫下是彎曲的，但是在稍微受熱之后，幾秒鐘之內就恢復到了原來的形狀。

　　4D打印、快速形變、溫度觸發器，這些特性使得該項技術將在太陽能、醫學和太空等領域具有廣泛的應用。比如，制作出一個軟性驅動器，調節太陽能電池板與太陽光線的角度；或者制作微型藥物膠囊。

　　方絢萊教授說道：“我們最終是想利用人體溫度作為觸發器。如果我們恰當地對這些聚合物進行設計，就可以制作出一種藥物傳送載體。而只有當人發燒、體溫上升的時候，里面的藥物才能被釋放出來。”

　　研究團隊還設計出了一個“小爪子”，他們先把小爪子打開，然后將其周圍空氣溫度升至40ºC，然后小爪子就迅速收縮，抓住了下面的物件。

　　更特別地是，小爪子還十分“溫柔”，可以靈敏地抓起魚卵，甚至是豆腐等物體。

　　關鍵：“微立體光刻”+新型復合材料

　　其實很多研究人員曾試圖用3d打印機制作出形狀記憶物體，但是由于制作過程還停留在毫米的水平，所以就限制了材料恢復的速度。

　　方絢萊教授的這種技術里，使用了高分辨率投影的“微立體光刻”（Microstereolithography）技術，在微米級的水平上進行物體的設計（1毫米=1000微米，相當于一根頭發絲的直徑），這種技術使得材料的恢復速度變得極快。

　　方絢萊教授說道：“事實是，如果你能夠在更微小的水平上制作，那么這些材料就會在幾秒內快速恢復。以自然界的花朵為例，一朵花可以在幾毫秒的時間內釋放出所有的花粉，這是因為它的觸發機制是在微米量級上發生的。”

　　與此同時，研究人員也一直在尋找理想的聚合物組合，來做出一種形狀記憶材料，以適應其光刻圖案。他們選中了兩種聚合物，一種形狀像是彎彎曲曲的意大利面，另一種交錯縱橫，像是建筑工地上的腳手架。他們將兩種聚合物混合在一起，所形成的新材料可以承受巨大的拉伸和扭曲，而不會損壞。

　　這種新型復合材料的特點是：可以承受巨大的形變，可拉伸至原有形狀的3倍，這比現存的任何可打印材料的變形程度都要大。

　　更重要的是，新材料可以“彈回”至原來的形狀，即剛從打印機里出來時的形狀。當它暴露在40-180ºC溫度下時，能在幾秒內利索地恢復原形。

　　方絢萊教授表示：“如果能將整個制作過程降至更小的量級，我們或許能夠將恢復時間縮短至幾毫秒。”

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