弗萊堡大學(xué)和斯圖加特大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種使用標(biāo)準(zhǔn) 3D 打印機(jī)生產(chǎn)可移動(dòng)、自調(diào)整材料系統(tǒng)的新工藝。這些系統(tǒng)可以以預(yù)先編程的方式在水分的影響下經(jīng)歷復(fù)雜的形狀變化、收縮和膨脹。科學(xué)家們根據(jù)被稱為空氣馬鈴薯的攀緣植物的運(yùn)動(dòng)機(jī)制模擬了它們的發(fā)育。使用他們的新方法，該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)了第一個(gè)原型：一種適應(yīng)佩戴者的前臂支架，可以進(jìn)一步開發(fā)用于醫(yī)療應(yīng)用。

通過他們的新工藝，研究團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)了第一個(gè)原型，一種適合佩戴者的前臂支架，可以開發(fā)用于醫(yī)療應(yīng)用

4D打印定義形狀變化

3D打印已成為廣泛應(yīng)用的制造工藝。它甚至可以用于生產(chǎn)智能材料和材料系統(tǒng)，這些材料和材料系統(tǒng)在打印后保持運(yùn)動(dòng)，從外部刺激（如光、溫度或濕度）自動(dòng)改變形狀。這種所謂的“4D 打印”，可以通過刺激觸發(fā)預(yù)定的形狀變化，極大地?cái)U(kuò)展了材料系統(tǒng)的潛在應(yīng)用。這些形狀的變化是由材料的化學(xué)成分實(shí)現(xiàn)的，這些材料由刺激響應(yīng)聚合物組成。然而，用于生產(chǎn)此類材料系統(tǒng)的打印機(jī)和基礎(chǔ)材料通常高度專業(yè)化、定制化且價(jià)格昂貴。

現(xiàn)在，使用標(biāo)準(zhǔn) 3D 打印機(jī)，可以生產(chǎn)對(duì)水分變化做出反應(yīng)的材料系統(tǒng)?？紤]到它們的結(jié)構(gòu)，這些材料系統(tǒng)可以在整個(gè)系統(tǒng)中或只是在單個(gè)部件中發(fā)生形狀變化。弗萊堡大學(xué)和斯圖加特大學(xué)的研究人員將多個(gè)膨脹和穩(wěn)定層結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了一種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)制：一種通過展開“口袋”作為加壓器來拉得更緊的盤繞結(jié)構(gòu)，當(dāng)“口袋”松開時(shí)，它可以自行再次放松并且盤繞結(jié)構(gòu)返回打開狀態(tài)。

轉(zhuǎn)移到技術(shù)材料系統(tǒng)的自然運(yùn)動(dòng)機(jī)制

對(duì)于這個(gè)新過程，科學(xué)家們使用了一種來自大自然的機(jī)制：空氣馬鈴薯通過對(duì)寄主植物的樹干施加壓力來爬樹。為此，植物首先松散地纏繞在樹干上。然后它會(huì)長(zhǎng)出“托葉”，即葉子的基部生長(zhǎng)物，這增加了纏繞莖和寄主植物之間的空間。這會(huì)在空氣馬鈴薯的纏繞莖中產(chǎn)生張力。為了模仿這些機(jī)制，研究人員通過構(gòu)造其層來構(gòu)建模塊化材料系統(tǒng)，使其可以向不同方向和不同程度彎曲，從而卷曲并形成螺旋結(jié)構(gòu)。表面上的“口袋”導(dǎo)致螺旋被向外推并處于張力下，從而導(dǎo)致整個(gè)材料系統(tǒng)收縮。

到目前為止，我們的工藝仍然僅限于對(duì)水分做出反應(yīng)的現(xiàn)有基礎(chǔ)材料，研究人員說，我們希望，在未來，能夠?qū)ζ渌碳ぷ龀龇磻?yīng)的廉價(jià)材料將可用于 3D 打印，并可用于我們的工藝。

生活、適應(yīng)性和能源自主材料系統(tǒng)卓越集群 (livMatS)

弗萊堡大學(xué)生命、適應(yīng)性和能源自主材料系統(tǒng)卓越集群 (livMatS) 的研究人員正在開發(fā)受自然啟發(fā)的栩栩如生的材料系統(tǒng)。就像生命結(jié)構(gòu)一樣，它們可以自主適應(yīng)不同的環(huán)境因素，從環(huán)境中產(chǎn)生清潔能源，不受損壞或可以自我修復(fù)。盡管如此，這些材料系統(tǒng)將是純粹的技術(shù)對(duì)象，因此它們可以使用合成方法生產(chǎn)并部署在極端條件下。