前沿科技：采用智能記憶材料的復(fù)雜4D結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)完美自組裝

4D打印的概念最早是由麻省理工學(xué)院（MIT）的Skylar Tibbits在2013年的Ted演講中提出的。它指的是一種可以通過預(yù)編程，在一定條件刺激下能夠從初始形態(tài)自動(dòng)“變身”成另一種形態(tài)的超級(jí)材料。到目前為止，一些簡單的4D物體已經(jīng)被制作出來了，但更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)卻還沒有實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄嚓P(guān)的研究普遍認(rèn)為，它們需要用于特定時(shí)間間隔的多種類刺激才能實(shí)現(xiàn)。

不過這種想法已經(jīng)被證明是錯(cuò)誤的了，因?yàn)樽罱�，佐治亞理工學(xué)院（GIT）和新加坡技術(shù)大學(xué)的研究者們開發(fā)出了一種更為高級(jí)的4D技術(shù)，只需單一種類的刺激，比如熱量，就能實(shí)現(xiàn)4D物體的完美自折疊。

簡單的4D結(jié)構(gòu)

據(jù)中國3D打印專業(yè)媒體平臺(tái)南極熊了解，這些4D部件之所以如此神奇是因?yàn)樗鼈冇啥喾N對(duì)熱量反應(yīng)各不相同的智能形狀記憶材料組成的。當(dāng)暴露在單一熱源下的時(shí)候，這些材料便會(huì)精確地按照時(shí)間順序做出動(dòng)作，在不發(fā)生相互碰撞的情況下逐漸形成3D結(jié)構(gòu)。

“在這之前，研究的主要內(nèi)容是將多個(gè)加熱器布置到一個(gè)部件的特定區(qū)域，然后控制每個(gè)加熱器的開關(guān)時(shí)間，從而令部件按照一定順序形成3D結(jié)構(gòu)。這種方法不僅需要幾乎每時(shí)每刻都在時(shí)間和空間上控制對(duì)整體的熱量施加，而且實(shí)現(xiàn)起來非常復(fù)雜。我們對(duì)此做出了改進(jìn)，使用了更及操作的空間均勻性溫度，然后利用不同材料的能力，通過它們的分子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)形狀變化速率的控制。”佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程系的Jerry Qi教授表示。下面的圖片就顯示了一個(gè)采用新方法，使用智能形狀記憶聚合物（SMPs）制成的4D平面在放入熱水中自動(dòng)變形為一個(gè)自鎖立方體的過程，以及各個(gè)部分運(yùn)動(dòng)的順序：

在上面的過程中，熱水就是單一的熱源，而立方體的各個(gè)部位則是由對(duì)熱量反應(yīng)不同的SMPs通過3D打印技術(shù)制成的。所以它們可以按照時(shí)間順序先后運(yùn)動(dòng)，在不發(fā)生相互阻擋的情況下最終自折疊成既定的3D實(shí)體。

在研究人員看來，這種全新的4D技術(shù)可以用于制造那些需要方便運(yùn)輸?shù)奈矬w。它們最初的形態(tài)可能就如同上面的實(shí)驗(yàn)品一樣是一個(gè)平面，需要使用時(shí)只要施加合適的刺激就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為3D形態(tài)。便攜式庇護(hù)所，支架一類的移動(dòng)式醫(yī)療設(shè)備，簡單的機(jī)械，以及互動(dòng)玩具都可以是它的應(yīng)用項(xiàng)目。研究人員甚至還想到了無人機(jī)。如果采用了4D技術(shù)，這些機(jī)械就能根據(jù)實(shí)際需要自動(dòng)變形為可適應(yīng)當(dāng)?shù)貤l件的形態(tài)。

看完這些，你一定感覺到了科技的神奇和強(qiáng)大對(duì)不對(duì)。也許在不遠(yuǎn)的將來，你的許多日常用品都將是由4D技術(shù)制造的，而它們將為你的生活帶來前所未有的便利。

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