吉林大學(xué)任露泉院士團(tuán)隊AFM：4D打印仿生種子彈射器

來源： 高分子科學(xué)前沿

4D打印是利用刺激響應(yīng)性材料和3D打印技術(shù)來制造在濕度、光、熱、電場或磁場等刺激下可以改變形狀或特性的三維物體，對環(huán)境具有適應(yīng)性和動態(tài)響應(yīng)性，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，形狀記憶聚合物（SMPs）、水凝膠和液晶彈性體（LCEs）是4D打印的主要聚合物材料。SMPs和LCEs的反應(yīng)機(jī)制是聚合物鏈或液晶網(wǎng)格對外部刺激（通常是溫度）的重新排列；對于水凝膠，其反應(yīng)機(jī)制是膨脹和解吸。這些材料被打印成具有特定位置組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在適當(dāng)?shù)拇碳は庐a(chǎn)生可編程的變化。響應(yīng)速度由SMPs/LCEs的導(dǎo)熱性或水凝膠的滲透性決定，這導(dǎo)致4D打印物體不能產(chǎn)生快速運(yùn)動和快速形狀變化，也不能應(yīng)用于需要快速形狀轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域，如快速解鎖和部署航空航天設(shè)備。因此，具有快速轉(zhuǎn)換能力和高輸出能量的4D打印形狀變形結(jié)構(gòu)仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，也是實際應(yīng)用中非常需要的。

近日，吉林大學(xué)任露泉院士、韓志武教授、劉萍萍教授和英國曼徹斯特大學(xué)任雷教授根據(jù)紫羅蘭果實種子射出過程中梯度扇形細(xì)胞的結(jié)構(gòu)變化特征，通過3D打印技術(shù)對具有不同存儲模量的異質(zhì)材料的空間分布進(jìn)行編程，并加工出一種仿生智能彈射器，可通過力、溫度、光、濕度或電的刺激實現(xiàn)高速彈射，觸發(fā)時間為毫秒級，最快彈射速度可達(dá)到3.6米/秒。這種仿生的4D打印策略突破了傳統(tǒng)4D打印物體運(yùn)動速度的限制，有助于釋放4D打印的全部潛力。這項工作以“Biomimetic 4D Printing Catapult: From Biological Prototype to Practical Implementation”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

研究人員首先觀察了紫羅蘭種莢在種子排出前后的形態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)新鮮瓣片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對松散，含水量高，而瓣片的外部結(jié)構(gòu)相對緊湊，含水量低。依靠快速失水收縮變形，中間的黃色區(qū)域是主要的驅(qū)動單元（圖1）。研究人員還研究了種子的彈射過程，發(fā)現(xiàn)在整個彈射過程中，豆莢經(jīng)歷了一個種子數(shù)量從多排到單排，再到單粒的漸進(jìn)過程（圖2）。

圖1. 紫羅蘭種莢的形態(tài)

圖2. 種子彈射過程

為了驗證種子彈射的原理，研究人員提取了種莢的橫截面并建立了模型，分析發(fā)現(xiàn)，紫羅蘭種子的彈射原理是基于不同區(qū)域的水分流失和細(xì)胞收縮的程度不同，從而產(chǎn)生應(yīng)力（圖3a-f）。受種子彈射原理的啟發(fā)，研究人員設(shè)計了4D打印模型，并利用多材料打印技術(shù)打印了仿生種莢和彈射樣品，其中彈射是基于不同打印材料在加熱時的不同玻璃轉(zhuǎn)化溫度。種莢由兩部分組成，包括不同的材料，而彈射樣品是由單一材料打印而成。然后在響應(yīng)材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度以上對種莢樣品進(jìn)行塑形，隨后冷卻以達(dá)到固體形狀。通過打印一個標(biāo)準(zhǔn)支架，仿生彈射器被加熱并固定在支架上進(jìn)行冷卻，冷卻后模型被固定，彈性勢能被儲存在其中。然后通過提高環(huán)境溫度刺激組裝好的樣品，使其達(dá)到玻璃化溫度，此時材料的模量迅速下降并恢復(fù)到成型前的原始形狀，儲存的彈性勢能迅速釋放并轉(zhuǎn)移到彈射器上，隨后轉(zhuǎn)化為彈射的動能（圖3g-h）。

圖3. 4D打印彈射器的仿生設(shè)計

4D打印樣品可以在多種刺激下進(jìn)行彈射。如圖4a所示，使用了外部應(yīng)力觸發(fā)器，用手簡單地擠壓夾持端，當(dāng)擠壓力超過射出物和樣品之間的摩擦力時，彈丸被彈出。在圖4b中，使用了加熱觸發(fā)器，將組件浸入60℃的水浴中，彈丸被彈出。在圖4c中，使用紅外光照射樣品并提高其溫度，也可以觸發(fā)彈射。因為空氣被用作加熱和彈射介質(zhì)，所以彈射的速度要比在水中快得多。在圖4d中，使用了電觸發(fā)，中間的光束由導(dǎo)電材料制成，與兩種材料打印成一體。通電后，橫梁產(chǎn)生熱量并作為觸發(fā)器。其原理與之前的觸發(fā)器相同，即模量的快速下降。由于電熱效率高，彈射反應(yīng)時間比紅外加熱的情況要短得多，彈射速度也很合理。圖4e顯示了三個彈丸的順序觸發(fā)過程，其觸發(fā)原理與圖4d中的單個彈丸相同。研究人員還分析了仿生4D打印彈射器在各種刺激下的運(yùn)動情況，研究了電觸發(fā)、紅外加熱觸發(fā)和水浴加熱觸發(fā)三種觸發(fā)模式下彈丸的反應(yīng)時間和彈射速度（圖5）。

圖4. 4D打印彈射器的多刺激響應(yīng)

圖5. 4D打印彈射器在各種刺激下的運(yùn)動

研究人員拍攝了高速攝像圖像，發(fā)現(xiàn)由水浴觸發(fā)的瞬時射出速度為≈1.7 m/s，加速度為25g；由紅外加熱觸發(fā)的瞬時射出速度為≈3 m/s，加速度為39g；由電觸發(fā)的最大彈射速度為≈2 m/s，射出加速度為≈20g。單次觸發(fā)和多次觸發(fā)之間沒有明顯差異（圖6a-d）。研究人員打印了一個衛(wèi)星模型，該衛(wèi)星配備了不同的彈射功能，即一個微型衛(wèi)星模塊、一個捕網(wǎng)模塊和一個子彈模塊（圖6e-g）。用熱風(fēng)槍對要發(fā)射的模塊進(jìn)行加熱，幾秒鐘后，各模塊被發(fā)射出去，互不干擾，說明了4D打印彈射器在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

圖6. 彈射器觸發(fā)實驗及應(yīng)用前景

結(jié)論：研究人員通過高速攝影和豆莢的微型CT切片研究了紫羅蘭種子的順序噴射機(jī)制�；�于這一機(jī)制，使用多材料打印機(jī)加工了一系列仿生4D打印彈射器，可以在不同的刺激下觸發(fā)，觸發(fā)時間為毫秒級。這種仿生方案提供了短的觸發(fā)時間和快的觸發(fā)速度，克服了4D打印樣品的低驅(qū)動應(yīng)力和慢驅(qū)動速度的缺點。仿生的4D打印彈射器樣品還可以由特殊的工程聚合物或金屬形成，在空間衛(wèi)星發(fā)射和空間站垃圾清理方面具有很好的應(yīng)用前景。