5D打印機(jī)？瑞士科學(xué)家成功在5D設(shè)計(jì)空間內(nèi)3D打印出復(fù)雜結(jié)構(gòu)

近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究復(fù)雜材料的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出了一種3D打印方法，可用來(lái)設(shè)計(jì)具有精制微觀結(jié)構(gòu)特征的復(fù)合材料。在此之前，這種結(jié)構(gòu)特征只會(huì)出現(xiàn)在自然生長(zhǎng)的生物材料中。利用他們稱(chēng)之為“多材料磁力輔助3D打印系統(tǒng)（MM-3D printing），研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)具備了超越常規(guī)3D成型的能力，甚至可以說(shuō)進(jìn)入了5D設(shè)計(jì)領(lǐng)域，因?yàn)樗麄兊倪@項(xiàng)技術(shù)有能力令多功能的變形柔性裝置成為現(xiàn)實(shí)，而這類(lèi)裝置可以用于制造類(lèi)似人體肌腱或者肌肉結(jié)構(gòu)的機(jī)械連接系統(tǒng)，或是柔性機(jī)器人的選擇性抓取-放置系統(tǒng)等。

研究人員表示，如果能將多種材料融合到一個(gè)3D打印對(duì)象的單一幾何結(jié)構(gòu)中，就有可能創(chuàng)造出動(dòng)態(tài)可編程的物體 — 這種可能性我們已經(jīng)看到了，比如使用加載了陰極和陽(yáng)極材料的油墨可實(shí)現(xiàn)鋰離子微電池的直接布線；或者將細(xì)胞與生物相容性水凝膠相結(jié)合以探索組織再生等等。在實(shí)現(xiàn)方法上，這些3D打印的設(shè)計(jì)與自然界中活細(xì)胞生長(zhǎng)出生物材料的方式類(lèi)似，但直到現(xiàn)在，他們?cè)趶?fù)雜度上也無(wú)法達(dá)到后者的水平。“與常規(guī)的3D打印技術(shù)相比，活細(xì)胞具有獨(dú)立的局部組成和紋理控制。這至少為它們提供了額外的兩個(gè)自由度。”研究者們解釋說(shuō)。

于是，受到在自然材料中發(fā)現(xiàn)的多種結(jié)構(gòu)的啟發(fā) ，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了“一種可以在5D設(shè)計(jì)空間內(nèi)編程并制造合成微結(jié)構(gòu)的3D打印方法�！痹谶@里，所謂的5D設(shè)計(jì)空間指的是除了3D打印的成型能力之外，再加上對(duì)合成物本身的控制（+1D）和粒子取向向（+1D）。

由3DDiscovery公司regenHU改裝成的MM-3D打印平臺(tái)

到目前為止，我們已經(jīng)接觸到了一些4D打印的技術(shù)，比如那些使用3D打印的形狀記憶高分子材料創(chuàng)建的自折疊結(jié)構(gòu)等，而現(xiàn)在，為了實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的“5D可編程性”，研究人員先是開(kāi)發(fā)了一種由其中懸浮有磁感應(yīng)粒子的液態(tài)光敏樹(shù)脂制成的特殊墨水，然后使用了一臺(tái)改裝的商業(yè)3D打印機(jī)（3DDiscovery公司的regenHU）實(shí)現(xiàn)了這種墨水的沉積。

據(jù)中國(guó)3D打印專(zhuān)業(yè)媒體平臺(tái)南極熊了解，這款特制的3D打印機(jī)配備了四個(gè)可獨(dú)立尋址定位的注射器（每個(gè)注射器都可盛放不同配方的墨水），還安裝了一個(gè)由兩個(gè)部件組成的混合分配單元。該單元的作用是逐漸改變油墨的組成。至于研究中使用的墨水，則是兩種具有不同流變特性的墨水：具有粘彈性的“成型”墨水，用于生成外圍；低粘度的“紋理”墨水，用于輪廓內(nèi)的打印。

為了證明自己可通過(guò)MM-3D打印平臺(tái)實(shí)現(xiàn)定向、復(fù)合和形狀控制的能力，研究人員打印出了一個(gè)在自然界中絕不存在的具有復(fù)雜形狀和非均質(zhì)精細(xì)微結(jié)構(gòu)的3D物體 — 螺旋（見(jiàn)上圖）。該物體的外部是各種不同的凸起和凹陷曲面，其內(nèi)部則是一種由片狀結(jié)構(gòu)組成的螺旋樓梯結(jié)構(gòu)，從底部一直延伸到頂部。整個(gè)物體高度僅18毫米，圓形底座直徑16毫米，頂部直徑為10毫米，總共由60個(gè)圓形層組成。這種極其復(fù)雜的小尺寸3D打印物體代表著一種更加先進(jìn)的人造物體。與之前的研究成果相比，它更加接近生物材料和植物系統(tǒng)中那種豐富、復(fù)雜、高效的幾何形式。

目前，研究者們已經(jīng)能使用這種3D打印平臺(tái)創(chuàng)造出柔性的機(jī)械緊固零件和3D形變的鑰匙-鎖連接器了�！翱梢栽O(shè)想的功能還有許多，而我們提供的實(shí)例是利用這種非均質(zhì)的復(fù)合材料來(lái)制造通過(guò)特殊原理工作的柔性機(jī)械緊固件。這種結(jié)構(gòu)不需任何化學(xué)粘合，而只需要緊固系統(tǒng)預(yù)編程的形狀變化帶驅(qū)動(dòng)的部件之間的機(jī)械互鎖�！�

這種奇特的緊固系統(tǒng)可用于創(chuàng)建類(lèi)似人體肌腱或者肌肉的機(jī)械連接系統(tǒng)，而另一種鑰匙-鎖連接器則可用于自動(dòng)觸發(fā)的靈活關(guān)節(jié)以及柔性機(jī)器人的選擇性抓取-放置系統(tǒng)等。

via 3ders

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