科學家開發出可在光熱條件下變形的4D打印材料
近日，Pittsburgh大學Swanson工程學院和Clemson大學的研究人員們開發出了一種新的混合材料，該材料當暴露在不同的光線或熱刺激環境中時可以多次從新配置自己形成不同的形狀。研發人員稱，這項研究將光響應纖維與熱響應凝膠結合了起來，在軟機器人和其它仿生的4D打印輔助裝置方面具有強大的應用潛力。
眾所周知，3D打印技術的發展已經大大地擴展了人類制造和設計的邊界，使得眾多功能材料可以轉化成各種各樣的功能器件，比如電子產品、機械金屬合金部件甚至包括活的生物細胞等。但是在大多數情況下，這些3D打印部件的構思、設計和制造都是為一個特定的目的服務的。
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打開“第四個維度”——時間，并利用環境誘因如光、熱、振動或磁場來自組裝或者重新配置以做到這一點，從而滿足當前在制造、包裝、機器人和生物醫學領域的現有需求。這就是4D打印。正如該項研究的發起研究人員之一 Skylar Tibbit所說的：“想象一下那種無需依賴復雜的電子機械設備的那種機器人般的 行為！”
在這個4D打印研究項目中，匹茲堡大學的化工和石油工程教授Anna C. Balazs和Clemson大學的材料科學和工程助理教授Olga Kuksenok帶領的團隊開發出了一種計算機建模算法，該算法可以根據工作人員的設計將熱響應聚合物凝膠和光敏纖維集成在一起，所得到的“混合”材料被認為具有高度的可重構性和機械強度，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出明顯不同的行為。
例如，Balazs和Kuksenok博士發現，當被錨定到一個表面上時，該復合材料在暴露在光照之下時會向一個方向彎曲，而受到熱刺激的時候則會向其它方向彎。當與表面分離時，該樣品“在被加熱時會像手風琴一樣縮小，而被照亮時又會像一條毛毛蟲那樣卷曲”。這意味著，一個單一的對象可以根據它所變形的形狀而實現不同的功能，而且它的行為是完全可編程、可預見和多方面的。
“在4D打印中，時間是表達該材料結構特性的第四個維度；即這些材料即使在被3D打印完成后也具有變成另一個新的形狀的能力，這種變形能力就減少了為每個新的應用創建一種新的應用的可能性，因此，有可能會導致顯著的成本節約。”Balazs解釋說：“研究人員面臨的挑戰是創建一種材料，這種材料既具有強度和延展性，而當暴露于一個以上的刺激條件中時又能夠顯示出不同的行為。”
在本次研究中，科學家們通過向將涂覆有Spirobenzopyran（SP）發色團的光響應纖維嵌入一種對于溫度敏感的凝膠來實現對單個對象的多種行為的“編程”。研究人員們還指出，通過專門定位不同纖維上SP的功能性，該復合材料能在光存在的條件下完成“隱藏”的模式。這種響應刺激的仿生運動將能夠幫助柔性關節機器人在不同的光照條件下完成彎曲和伸直的運動。
這項研究最近發表在英國皇家化學會的《Materials Horizons》雜志上，論文題目是《集成了熱響應凝膠和光敏纖維的復合材料的刺激響應行為（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是通過對對這種纖維的定制化“編程”，使其形成形成手狀的結構，并可以根據環境刺激執行抓握或者其它功能。
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