受薯蕷纏繞生長機制啟發(fā)，科學家4D打印出新型仿生腕部夾板

導讀：2021年8月7日，南極熊獲悉，來自弗萊堡大學和斯圖加特大學的研究人員開發(fā)了一種新型的4D打印可穿戴醫(yī)療設備的方法，該設備可根據(jù)患者的解剖結構進行自我調整。研究團隊受薯蕷植物（Dioscorea bulbifera，一種纏繞草質藤本）繁殖機制的啟發(fā)，聯(lián)想到打印的系統(tǒng)可以預先編程，以便在接觸到水分時進行復雜的運動。他們已經利用該方法4D打印了一個自緊式矯形手腕夾板，打印夾板可以自行纏繞在病人的手臂上。

本項研究的共同作者Tiffany Cheng在《Materials Today》上的論文中解釋說："我們展示了如何將生物學的功能和結構原理轉移到技術材料系統(tǒng)。這項工作也在擴展仿生解決方案的設計空間和可調功能方面邁出了重要一步"。

△4D打印的腕部夾板。圖片來自弗萊堡大學

受生物啟發(fā)誕生的4D打印

當一個3D打印結構的形狀被設計成隨著時間的推移而變形時，它被稱為4D打印。這些幾何形狀的轉變可以通過任何方式誘導，其中最常見的是電刺激、熱和水分。許多4D打印對象都是預先編程的，使用智能放置的層和褶皺來變形，可以收縮和膨脹以達到預期的效果。

順便說一句，我們可以從大自然中汲取靈感，學習很多關于4D打印系統(tǒng)的知識。畢竟，進化至今的生物是現(xiàn)實中最好的設計師之一。

在這種情況下，弗萊堡團隊轉向了薯蕷，一種能夠通過纏繞在宿主的樹干上爬樹的藤蔓植物。薯蕷長出被稱為托葉的外植體，有助于拉緊纏繞的莖，并對宿主植物產生擠壓力。這使薯蕷能夠在其宿主上工作，使其更接近生長所需的陽光。

△薯蕷皂角的特點是纏繞莖，有離散的托葉，這些托葉擴展后在莖和其支撐物之間產生間隙，從而使莖處于緊張狀態(tài)

4D打印可自動鎖緊的手腕夾板

為了模仿薯蕷的運動機制，研究人員采用了一種計算設計策略，即有選擇地將"彎曲線"打印到夾板本身的幾何形狀中。就像一張紙上的折痕一樣，這些彎曲線的設計是為了確定夾板在暴露于濕氣時如何、在哪里以及彎曲到什么程度。

材料的選擇在這里也很關鍵，因為只有對水分有反應的材料才有可能啟動夾板。為此，研究團隊必須使用一種能夠輕松吸收和釋放水分的木材聚合物復合材料。

打印的結構還包括幾個膨脹和穩(wěn)定層，它們與彎曲線一起工作，以實現(xiàn)類似于螺旋線的卷曲形式。此外，研究小組在夾板表面打印了口袋，這些口袋的作用是將螺旋線向外推，在設備中產生張力，最終導致整個夾板的收縮。這使該裝置能夠收緊佩戴者的手臂，以實現(xiàn)個性化的緊密貼合，為手腕提供支持。

本項研究的結論是："通過用一個普通矯形器的工作原型來證明這個概念，我們設想這個設計過程可能使醫(yī)學專家能夠在沒有任何數(shù)字建模專業(yè)知識的情況下，對自我調整的矯形器進行物理設計、原型制作和定制安裝。"

這項研究的更多細節(jié)可以在題為 "Bio-Inspired MotionMechanisms: Computational Design and Material Programming of Self-Adjusting4D-Printed Wearable Systems"的論文中找到。它是由TiffanyCheng, Marc Thielen等人共同撰寫的。

相關論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202100411

△腕部夾板能夠適應性地收緊佩戴者的手腕。圖片來自弗萊堡大學

4D打印的應用遠遠超出了醫(yī)療領域，這項新興技術也可以被很好地應用到軟體機器人和電子技術當中。例如，來自瑞典林雪平大學的一個研究小組之前已經使用定制的基于擠壓的3D打印機4D打印了一套用于軟體微機器人的微執(zhí)行器。雖然4D打印的軟體機器人通常被限制在厘米或毫微米級，但該團隊能夠將打印設備縮小到微米級領域，實現(xiàn)約20微米的厚度。

最近，德國電子3D打印公司NeotechAMT宣布了一個由歐盟支持的新的Penta項目AMPERE，該項目旨在開發(fā)可靠和可擴展的混合增材制造工藝，以生產多功能4D機電系統(tǒng)。該項目將專注于加速4D制造，以加快照明、信號和電力電子等智能系統(tǒng)的可靠生產。