4D打印新模式？熱能誘導工藝將為3D打印提供“百變油墨”

導讀：南極熊獲悉，來自新罕布什爾州達特茅斯大學的研究人員開發(fā)了一種新的凝膠3D打印工藝，即利用熱量來控制墨水內(nèi)分子環(huán)的排列，進而能夠通過墨水3D打印方法制造出具有不同機械強度的物體。

研究人員將這個過程稱為 "熱能誘導（Kinetic Trapping）"，這其中會使用到分子阻斷器（也稱減緩劑），以此來改變墨水中分子環(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，亦或是在被水分激活時還可以保持其形狀。

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

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

△達特茅斯學院柯氏功能材料研究組開發(fā)的Kinetic Trapping工藝。圖片來自Chem.

熱能誘導是如何工作的？

這一新工藝由達特茅斯學院的柯氏功能材料小組開發(fā)，該研究團隊的主要研究方向為3D和4D打印應用開發(fā)智能材料。他們將熱能誘導描述為一個過程，利用熱量改變化學鏈上分子環(huán)的排列和數(shù)量。

在化學中，"環(huán)"指的是一個分子內(nèi)的原子和鍵的循環(huán)。通過使用分子擋板或減速劑，研究人員能夠調(diào)節(jié)進入聚合物鏈中環(huán)的數(shù)量，并利用熱量控制其分布。當環(huán)被堆積起來時，它們儲存的熱能隨后可以被釋放，類似于壓縮的彈簧被松開。

在這個過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激活3D打印物體的不同形狀。

達特茅斯大學團隊使用的材料包括由環(huán)糊精和聚乙二醇組成的分子結構，這些物質(zhì)經(jīng)常被用作食品添加劑和糞便軟化劑。研究人員通過在聚乙二醇中添加減緩劑，使物質(zhì)結構的能量維持在穩(wěn)定狀態(tài)，進而可以通過響應濕度的變化使3D打印物體轉化為形狀也可以隨之改變的器件。

這項研究的第一作者林前明表示，這種方法能夠利用溫度來創(chuàng)造出復雜的形狀，并且濕度的改變就是啟動反應過程的鑰匙。

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

“熱能誘導”概念驗證過程

據(jù)研究人員稱，大多數(shù)常見的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象，如硬度或彈性。因此，打印一個具有多種屬性的物體需要準備不同的墨水，并使它們一起工作，這既是一個耗時又耗力的過程。

為了解決這些缺點，研究人員開發(fā)了熱能誘導技術來生產(chǎn)3D打印物體，使其成為能夠對水分和改變形狀做出反應的執(zhí)行器。

為了證明他們的研究，該團隊使用由熱能誘導制備的墨水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能夠閉合，而花的較堅硬部分則提供了支撐結構。

對此，研究團隊解釋說："這個物體的不同部分來自同一種打印油墨，它們有著相似的化學成分，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械強度，并導致它們對水分的反應不同。"

展望未來，研究小組將繼續(xù)尋求完善熱能誘導的過程，以實現(xiàn)對多單元穩(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的執(zhí)行器件和軟體機器人，并對濕度變化甚至其他可持續(xù)的供能模式做出反應。此外，研究小組認為由此制造的3D打印物體將來可應用到醫(yī)療設備或工業(yè)設施內(nèi)。

關于這項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)行材料的進展

增材制造的軟體機器人和執(zhí)行器領域是一個經(jīng)過了充分研究的領域，并不斷有新的研究成果出現(xiàn)。響應外部刺激（如時間或溫度）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越多的關注。

南極熊認為，除了采用熱量、濕度作為誘導源之外，光線波長以及光照強度同樣可以作為這種誘導模式的一部分。就在前不久，我國南方科技大學的研究團隊也曾發(fā)表過類似的研究，采用光固化4D打印出超高力學性能形狀記憶高分子材料。這種新材料在橡膠態(tài)斷裂應變超過1240%，在150%-250%的應變區(qū)間甚至可以重復加載超10000次。

瑞典林雪平大學的一個研究小組開發(fā)了一套用于軟性微型機器人的微執(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，日本山形大學的科學家們開發(fā)了一種完全3D打印的致動器，可以構成海洋野生動物監(jiān)測應用的水母狀軟體機器人的基礎。而加州大學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，通過在打印過程中和打印后改變熱打印參數(shù)來實現(xiàn)功能分級的特性。由此產(chǎn)生的執(zhí)行材料有可能應用于軟體機器人和人工肌肉。

同時，來自德克薩斯州萊斯大學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、電流或應力的變化時能夠呈現(xiàn)出不同的形式。