徹底改變智能材料的未來，4D打印研究探索響應性材料的新前沿

2025年4月5日，南極熊獲悉，由漢堡工業(yè)大學和法赫德國王石油礦產(chǎn)大學( KFUPM)先進材料跨學科研究中心的研究人員領導的一項合作研究開辟了 4D 打印的新領域。4D 打印是增材制造的一個分支，制造結構會根據(jù)熱或光等環(huán)境刺激而改變形狀。研究團隊探索了光熱驅(qū)動、形狀記憶聚合物 (SMP) 和機器學習，以設計能夠動態(tài)轉(zhuǎn)換的可編程材料。

相關研究以題為“Revolutionizing the Future of SmartMaterials: A Review of 4D Printing, Design, Optimization, and Machine LearningIntegration”的論文發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/admt.202401369

這項研究的一項關鍵實驗是將吸光油墨印刷到預應變的聚合物板上。當受到光照時，這些油墨會產(chǎn)生熱量，并使材料沿指定的鉸鏈折疊。這種方法允許平面的 2D 基底通過均勻的光照轉(zhuǎn)變?yōu)閺碗s的 3D 形狀。研究人員表示，“可以使用其他吸收劑來增強這一過程，例如在特定波長（包括可見光譜之外的波長）具有獨特光吸收的納米粒子。”雖然目前的裝置允許單次折疊展開循環(huán)，但加入可逆 SMP 可以支持重復驅(qū)動和更復雜的變形。

通過測量制造過程中的內(nèi)部應變，研究人員證明收縮機制與熱觸發(fā)有關。一旦溫度升至玻璃化轉(zhuǎn)變點以上，儲存的應變就會釋放。具有這種可控微結構的熱響應聚合物可應用于包裝、自組裝組件和醫(yī)療設備。然而，以高保真度創(chuàng)建這些特征仍然是一項技術挑戰(zhàn)。論文強調(diào)：“制造具有可控微結構的熱收縮聚合物仍然具有挑戰(zhàn)性，但 3DP 技術通過創(chuàng)建復雜的微結構提供了一種解決方案。”

△智能材料在航空航天、土木工程、機器人和醫(yī)療保健等領域的應用。圖片來自 ResearchGate。

金屬合金和基于激光的 3D 打印

研究還探索了使用激光粉末床熔合 (LPBF) 進行鎳鈦 (NiTi) 形狀記憶合金的增材制造。天津大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，調(diào)整激光能量密度會影響孔隙率、機械一致性和形狀恢復性能。東南大學的團隊專注于通過精確的工藝調(diào)整形成分層微結構來減少后處理要求。這些發(fā)現(xiàn)有望提高拉伸強度和抗疲勞性。

然而，研究結果之間仍然存在不一致。一篇論文強調(diào)消除熱處理可以節(jié)省成本，而另一篇論文則警告稱，工藝控制不佳可能會導致孔隙率和機械性能下降。作者指出，“關于后熱處理的要求，各研究之間存在爭議�！睘榱私鉀Q這種差異，研究人員建議采用標準化的工藝參數(shù)、更好的模擬工具，并探索除 NiTi 以外的替代合金，以滿足行業(yè)對能量吸收和疲勞耐久性的需求。

機器學習的進步使 4D 打印結構的預測建模取得了重大突破。研究人員應用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡 (CNN)、生成對抗網(wǎng)絡 (GAN) 和強化學習，將體素和像素級材料輸入映射到預測輸出，例如剛度、模量和應變響應。

△松果、蜘蛛絲、珍珠層和膠原蛋白等天然智能材料啟發(fā)了響應式 4D 結構。圖片來自 ResearchGate。

正向預測模型使用這些輸入陣列來模擬制造前的變形行為和結構特性。一種常見的方法是使用分層或基于各向異性的微結構模板來限制設計空間。例如，研究人員“使用各種基于各向異性的基本設計來預測復合材料的機械性能，從而產(chǎn)生快速優(yōu)化模式�！�

逆向設計模型從相反的方向解決問題：從所需的機械性能開始，計算必要的材料拓撲結構。西北大學的研究人員開發(fā)了一種方法，使用監(jiān)督學習將剛度值與拓撲輸入關聯(lián)起來，并使用正向模擬驗證結果。另一種方法訓練 GAN 生成 2D 和 3D 晶格結構，然后應用高斯過程回歸來預測恢復應力張量。

生成模型因其在海量設計空間中導航的能力而日益受到重視。通過使用變分自動編碼器將微結構數(shù)據(jù)編碼為緊湊的潛在變量，研究人員能夠?qū)�復雜材料進行逆向工程，同時保持可制造性�！敖獯a器將兩個空間都轉(zhuǎn)換為初始結構，”研究解釋說，從而可以重新生成具有目標屬性的物理模型。

△4D 打印材料的示例：水凝膠、液晶彈性體、磁性復合材料和 SMP。圖片來自 ResearchGate。

持續(xù)的材料和工藝限制

盡管算法取得了進步，但硬件和材料方面的挑戰(zhàn)依然存在。大多數(shù)商業(yè)平臺僅支持有限的聚合物類型（例如 PLA、ABS、PETG 和 PC），不包括具有危險煙霧、高熔點或流變性差的材料。由于安全和設備限制，通過導電聚合物（例如聚吡咯）進行電驅(qū)動仍處于實驗階段。

金屬材料也面臨障礙。雖然鈦、鋁和不銹鋼是常規(guī)打印材料，但活性金屬和陶瓷通常與當前的噴嘴和熱管理系統(tǒng)不兼容。除非嚴格控制熱和機械兼容性，否則不同物質(zhì)之間的材料界面可能會出現(xiàn)分層或裂紋。

使用熔融絲制造 (FFF)、多噴射建�；蛑苯幽�水書寫的高分辨率 3D 打印機很難解決懸垂結構、彎曲的內(nèi)部空隙或沒有支撐支架的互鎖特征。一些策略（例如犧牲材料或嵌入不可壓縮流體）試圖緩解這些問題，但在后處理中引入了新的復雜性。

△4D 打印形式包括膨脹晶格、仿生夾持器和形狀記憶物體。圖片來自 ResearchGate。

基于SMP的4D打印結構通常表現(xiàn)出單向變形，不適合需要循環(huán)或可逆驅(qū)動的應用。研究團隊指出，“即使是最輕微的偏差也會被放大，導致變形形狀、變形范圍和響應速度出現(xiàn)重大誤差�！�

水凝膠和 SMP 等材料特別容易因長時間暴露在熱、機械和濕氣中而發(fā)生降解。反復的驅(qū)動循環(huán)會導致殘余應力積累、斷裂和性能下降。在各向異性 FFF 打印中，細絲方向的變化使應力分布和恢復行為更加復雜。

研究人員呼吁提高打印機分辨率、加快原型制作速度和延長疲勞壽命的材料。增強界面附著力、減少熱失配和開發(fā)更強大的模擬協(xié)議也是使復雜的 4D 打印系統(tǒng)更接近商業(yè)用途的必要條件。