4D打印新模式？熱能誘導(dǎo)工藝將為3D打印提供“百變油墨”

導(dǎo)讀：南極熊獲悉，來(lái)自新罕布什爾州達(dá)特茅斯大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的凝膠3D打印工藝，即利用熱量來(lái)控制墨水內(nèi)分子環(huán)的排列，進(jìn)而能夠通過(guò)墨水3D打印方法制造出具有不同機(jī)械強(qiáng)度的物體。

研究人員將這個(gè)過(guò)程稱為 "熱能誘導(dǎo)（Kinetic Trapping）"，這其中會(huì)使用到分子阻斷器（也稱減緩劑），以此來(lái)改變墨水中分子環(huán)的分布，從而創(chuàng)造出可3D打印的凝膠，這些凝膠可以折疊、滾動(dòng)，亦或是在被水分激活時(shí)還可以保持其形狀。

據(jù)研究小組稱，他們的新方法在打印快速響應(yīng)器件和軟體機(jī)器人方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，這種新型打印過(guò)程的供能模式是可持續(xù)的，例如只需要感應(yīng)濕度變化便可以做出響應(yīng)，未來(lái)有希望應(yīng)用到醫(yī)療設(shè)備或工業(yè)設(shè)施中。

達(dá)特茅斯大學(xué)化學(xué)系助理教授、該研究的高級(jí)研究員柯晨峰說(shuō)："這種新方法利用熱量來(lái)生產(chǎn)和控制具有各種特性的3D油墨，它可以使復(fù)雜物體的3D打印變得更容易、更加低成本。"

△達(dá)特茅斯學(xué)院柯氏功能材料研究組開(kāi)發(fā)的Kinetic Trapping工藝。圖片來(lái)自Chem.

熱能誘導(dǎo)是如何工作的？

這一新工藝由達(dá)特茅斯學(xué)院的柯氏功能材料小組開(kāi)發(fā)，該研究團(tuán)隊(duì)的主要研究方向?yàn)?D和4D打印應(yīng)用開(kāi)發(fā)智能材料。他們將熱能誘導(dǎo)描述為一個(gè)過(guò)程，利用熱量改變化學(xué)鏈上分子環(huán)的排列和數(shù)量。

在化學(xué)中，"環(huán)"指的是一個(gè)分子內(nèi)的原子和鍵的循環(huán)。通過(guò)使用分子擋板或減速劑，研究人員能夠調(diào)節(jié)進(jìn)入聚合物鏈中環(huán)的數(shù)量，并利用熱量控制其分布。當(dāng)環(huán)被堆積起來(lái)時(shí)，它們儲(chǔ)存的熱能隨后可以被釋放，類(lèi)似于壓縮的彈簧被松開(kāi)。

在這個(gè)過(guò)程中使用到的分子減速器也制造出了3D打印所需的墨水，隨著時(shí)間的推移分子環(huán)的分布發(fā)生改變，并將材料從粉末變?yōu)榭纱蛴〉哪�膠。然后，水分的注入將被用來(lái)激活3D打印物體的不同形狀。

達(dá)特茅斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用的材料包括由環(huán)糊精和聚乙二醇組成的分子結(jié)構(gòu)，這些物質(zhì)經(jīng)常被用作食品添加劑和糞便軟化劑。研究人員通過(guò)在聚乙二醇中添加減緩劑，使物質(zhì)結(jié)構(gòu)的能量維持在穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而可以通過(guò)響應(yīng)濕度的變化使3D打印物體轉(zhuǎn)化為形狀也可以隨之改變的器件。

這項(xiàng)研究的第一作者林前明表示，這種方法能夠利用溫度來(lái)創(chuàng)造出復(fù)雜的形狀，并且濕度的改變就是啟動(dòng)反應(yīng)過(guò)程的鑰匙。

△柯晨峰（左）化學(xué)助理教授和林倩明（右）在柯氏功能材料組開(kāi)發(fā)用于3D和4D打印應(yīng)用的智能材料。照片來(lái)自Eli Burakian/Robert Gill。

“熱能誘導(dǎo)”概念驗(yàn)證過(guò)程

據(jù)研究人員稱，大多數(shù)常見(jiàn)的3D打印油墨具有統(tǒng)一的分子成分，可提供具有單一屬性的打印對(duì)象，如硬度或彈性。因此，打印一個(gè)具有多種屬性的物體需要準(zhǔn)備不同的墨水，并使它們一起工作，這既是一個(gè)耗時(shí)又耗力的過(guò)程。

為了解決這些缺點(diǎn)，研究人員開(kāi)發(fā)了熱能誘導(dǎo)技術(shù)來(lái)生產(chǎn)3D打印物體，使其成為能夠?qū)λ�分和改變形狀做出反�?yīng)的執(zhí)行器。

為了證明他們的研究，該團(tuán)隊(duì)使用由熱能誘導(dǎo)制備的墨水3D打印了一朵花。由于分子環(huán)的可變排列，花的不同部分被發(fā)現(xiàn)具有不同程度的靈活性。隨后產(chǎn)生的混合特性使花的柔軟花瓣在接觸到水分時(shí)能夠閉合，而花的較堅(jiān)硬部分則提供了支撐結(jié)構(gòu)。

對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)解釋說(shuō)："這個(gè)物體的不同部分來(lái)自同一種打印油墨，它們有著相似的化學(xué)成分，但分子環(huán)的數(shù)量和分布不同。這些差異使產(chǎn)品具有截然不同的機(jī)械強(qiáng)度，并導(dǎo)致它們對(duì)水分的反應(yīng)不同。"

展望未來(lái)，研究小組將繼續(xù)尋求完善熱能誘導(dǎo)的過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多單元穩(wěn)定狀態(tài)的精確控制。他們希望，這種方式成功打印出快速反應(yīng)的執(zhí)行器件和軟體機(jī)器人，并對(duì)濕度變化甚至其他可持續(xù)的供能模式做出反應(yīng)。此外，研究小組認(rèn)為由此制造的3D打印物體將來(lái)可應(yīng)用到醫(yī)療設(shè)備或工業(yè)設(shè)施內(nèi)。

關(guān)于這項(xiàng)研究的更多信息可以在《Chem journal》雜志上發(fā)表的題為 "Kinetic trapping of 3D printable cyclodextrin-basedpoly(pseudo)roxtaxane networks"的論文中找到。這項(xiàng)研究的共同作者是：Q.Lin, L. Li, M. Tang, L. Zou, K. Ito, C. Ke, S. Uenuma, J. Samanta, S. Li, X.Jiang。

相關(guān)論文鏈接：https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(21)00308-9?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2451929421003089%3Fshowall%3Dtrue

3D和4D打印執(zhí)行材料的進(jìn)展

增材制造的軟體機(jī)器人和執(zhí)行器領(lǐng)域是一個(gè)經(jīng)過(guò)了充分研究的領(lǐng)域，并不斷有新的研究成果出現(xiàn)。響應(yīng)外部刺激（如時(shí)間或溫度）后材料產(chǎn)生變形的方法通常被稱為4D打印，并在最近幾年獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。

南極熊認(rèn)為，除了采用熱量、濕度作為誘導(dǎo)源之外，光線波長(zhǎng)以及光照強(qiáng)度同樣可以作為這種誘導(dǎo)模式的一部分。就在前不久，我國(guó)南方科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也曾發(fā)表過(guò)類(lèi)似的研究，采用光固化4D打印出超高力學(xué)性能形狀記憶高分子材料。這種新材料在橡膠態(tài)斷裂應(yīng)變超過(guò)1240%，在150%-250%的應(yīng)變區(qū)間甚至可以重復(fù)加載超10000次。

瑞典林雪平大學(xué)的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一套用于軟性微型機(jī)器人的微執(zhí)行器。這些執(zhí)行器含有一種電活性聚合物，在有電荷的情況下改變形狀，賦予它們4D能力。

在其他地方，日本山形大學(xué)的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種完全3D打印的致動(dòng)器，可以構(gòu)成海洋野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)應(yīng)用的水母狀軟體機(jī)器人的基礎(chǔ)。而加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員則發(fā)現(xiàn)了一種3D打印液晶彈性體的新方法，通過(guò)在打印過(guò)程中和打印后改變熱打印參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能分級(jí)的特性。由此產(chǎn)生的執(zhí)行材料有可能應(yīng)用于軟體機(jī)器人和人工肌肉。

同時(shí)，來(lái)自德克薩斯州萊斯大學(xué)的研究人員一直在研究一種新的方法，使4D打印中的變形材料得到更多的控制，這使得3D打印物體在暴露于溫度、電流或應(yīng)力的變化時(shí)能夠呈現(xiàn)出不同的形式。