哈佛開發(fā)出新型水凝膠4D打印結構 — 遇水即可自動變形

4D打印是一種革命性的新技術。這一概念準確的說是一種自變形材料，只要受到某些因素的刺激（比如光、熱、電、磁和振動），就能在無需機電設備的情況下自動變形為預設的形狀。由于具有極大的應用前景，這種技術正在以絲毫不遜于3D打印的高速度迅猛發(fā)展著。最近，在這方面處于全球領先地位的哈佛大學保爾森工程與應用科學學院（SEAS）就與威斯生物工程研究所聯(lián)合開發(fā)出了一種新型的微觀4D打印結構。

這種新型4D結構是研究者通過3D打印技術使用一種“水凝膠墨水”制成的。該墨水是從一種含有木纖維的特殊水凝膠復合材料中提煉萃取的。由于使用了專門的材料預測模型，該結構會在遇水后逐漸膨脹、變硬，直至完全變形為預編程的形狀。

毫無疑問，這種在外部刺激下就能自動變形為預設形態(tài)的能力在智能織物、柔性電子產(chǎn)品、生物醫(yī)療用品和組織工程等方面都有重大的應用價值。

為了進一步驗證這種新結構，研究者們以同樣的方法制作了兩朵“4D蘭花”。通過下面的視頻，你可以了解整個的3D打印過程以及變形效果：

兩朵4D蘭花的3D打印過程與我們熟知的常規(guī)3D打印很相似，都是由打印頭將材料擠出，再層層疊加，直至完成整個對象�！拔覀兊臄�(shù)學模型精確規(guī)劃出了實現(xiàn)預設形狀所需的打印路徑，解決了對結構編程會遇到的最大挑戰(zhàn) — 倒轉問題，”參與項目開發(fā)的博士后Elisabetta Matsumoto表示，“使用完全可調(diào)與可編程的方法，我們能夠同時控制離散性和連續(xù)性。”

另外，決定材料會對刺激做出怎樣反應的數(shù)學模型還可用于其它材料。也就是說可以通過交換不同的材料來協(xié)調(diào)不同的屬性，比如導電性和生物相容性。

“能以源于自然的工程結構設計并實現(xiàn)出這些4D結構非常棒，”已經(jīng)研究過植物卷須盤繞，花朵綻放和松果開合等自然現(xiàn)象的Mahadevan表示，“現(xiàn)在，我們能夠采用逆向工程來解決多種問題，比如局部不均勻性，打印絲的間距，這些細絲的各向異性（也就是方向）等�！�

“這項借助多個學科力量完成的工作展現(xiàn)了可編程材料組裝方面的極大進步，”參與開發(fā)的高級研究員Jennifer A. Lewis表示，“我們正在超越單純的變形與功能，希望進一步創(chuàng)建出可變形的建筑�！�

目前，這一具有重大應用價值的先進項目已經(jīng)得到了美國陸軍研究辦公室（ARO）和國家科學基金會材料科學與工程研究中心（MRSEC）的支持。

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