哈佛大學(xué)研究人員使用4D打印構(gòu)建數(shù)學(xué)家高斯的面部

來源：未知大陸

4D打印的可變形結(jié)構(gòu)在工程的未來具有巨大的潛力。無論是自組裝桁架，還是有助于細(xì)胞再生的醫(yī)療設(shè)備，在其成為現(xiàn)實(shí)之前，該領(lǐng)域仍需克服許多挑戰(zhàn)。到目前為止，4D打印面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是創(chuàng)建復(fù)雜的，平滑彎曲的形狀的能力。難以處理單一材料和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，而是需要使用多種材料的異構(gòu)設(shè)計(jì)。

在哈佛大學(xué)，約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）和Wyss生物啟發(fā)工程學(xué)院的研究人員合作創(chuàng)造了具有挑戰(zhàn)性的4D打印形狀。在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表的一篇論文中證明了該技術(shù)的潛力，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的方法已用于制造移頻天線和放置在鹽中的扁平晶格水，呈現(xiàn)出人臉的形狀。

平坦的晶格在與鹽水接觸時(shí)變成19世紀(jì)數(shù)學(xué)家卡爾·弗里德里�！じ咚沟哪�

新型的可變形物質(zhì)
在為4D打印文件建模時(shí)，設(shè)計(jì)人員會(huì)創(chuàng)建一些功能，這些功能會(huì)影響所用材料的轉(zhuǎn)換。通過準(zhǔn)確地理解材料在受刺激時(shí)（即通過加熱或咸水）將如何膨脹或收縮，設(shè)計(jì)人員可以精確控制2D對(duì)象到可預(yù)測(cè)3D形狀的轉(zhuǎn)換。

在SEAS和Wyss的最新實(shí)驗(yàn)中，使用選擇的，多方向的彎曲肋骨，在多層中建立了復(fù)雜的晶格。在此過程中，肋骨是使用四種不同的彈性體墨水的組合沉積的-每種墨水對(duì)提議的刺激都有不同的反應(yīng)。

多材料墨水的分層和彎曲的肋骨設(shè)計(jì)形成了卡爾·弗里德里�！じ咚梗–arl Friedrich Gauss）臉部的變形格子

為了實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)的轉(zhuǎn)換，在設(shè)計(jì)階段預(yù)先確定了用于創(chuàng)建每個(gè)單獨(dú)的肋的確切位置，方向和材料。在一個(gè)示例中，對(duì)肋的變形進(jìn)行了調(diào)整，以創(chuàng)建一種天線，該天線在從扁平形變?yōu)閳A拱形時(shí)會(huì)改變諧振頻率。在另一個(gè)更復(fù)雜的演示中，還對(duì)肋進(jìn)行了微調(diào)，以模仿19世紀(jì)數(shù)學(xué)家卡爾·弗里德里�！じ咚梗–arl Friedrich Gauss）的臉部輪廓，后者為微分幾何奠定了基礎(chǔ)。

卡爾·弗里德里�！じ咚梗–arl Friedrich Gauss）的臉部肖像，3D模型和隨后的晶格設(shè)計(jì)在最近的哈佛研究中用于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/div>
“使用集成的設(shè)計(jì)和制造方法，我們可以在這些打印材料中編碼復(fù)雜的'指令集'，以驅(qū)動(dòng)它們的形狀變形行為，”哈佛大學(xué)劉易斯實(shí)驗(yàn)室(Lewis Lab)的負(fù)責(zé)人、生物學(xué)靈感工程教授詹妮弗·a·劉易斯(Jennifer A. Lewis)解釋說。

劉易斯教授補(bǔ)充了這樣一個(gè)項(xiàng)目的重要性，他補(bǔ)充說：“我們一起創(chuàng)造了可變形物質(zhì)的新種類�！�


形式服從功能
通過這項(xiàng)研究創(chuàng)建的控制幾何設(shè)計(jì)隨時(shí)可以應(yīng)用于其他刺激響應(yīng)材料，從而開始探索4D打印的“具有前所未有的復(fù)雜性的可縮放，可逆，變形的結(jié)構(gòu)”。這種多學(xué)科方法的示例應(yīng)用包括：哈佛在軟機(jī)器人技術(shù)方面的其他發(fā)展在某些方面體現(xiàn)了軟電子技術(shù)，智能織物，組織工程和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。

哈佛大學(xué)物理學(xué)，有機(jī)和進(jìn)化生物學(xué)教授，研究的合著者L. Mahadevan教授總結(jié)說：“形成既能實(shí)現(xiàn)功能又能約束功能。使用數(shù)學(xué)和計(jì)算來設(shè)計(jì)形式，并結(jié)合多尺度幾何和多材料打印來實(shí)現(xiàn)它，我們現(xiàn)在能夠構(gòu)建具有多種功能潛力的變形結(jié)構(gòu)。”