更实用的“四维”变形打印要来了！

来源：江苏激光联盟

随着一种新的打印变形材料的出现，根据需求重新配置自己的软机器人和生物医学植入物渐趋现实。莱斯大学布朗工程学院的工程师Rafael Verduzco和研究生Morgan Barnes开发了一种在温度、电流或压力变化下打印变形材料的新方法。

图1：莱斯大学用3D打印机生产的变形材料，通过温度、电流或压力的变化，实现了形态转变。这个例子展示了如何实现印刷材料的变形。图片来自Verduzco Laboratory/Rice University

研究人员在美国化学期刊 Applied Materials and Interfaces上将此技术称之为“反应式四维打印”。2018年，他们首次在模具中制造变形结构。但是使用相同的化学物质进行三维打印只局限于同一平面的形状上。这意味着难以形成凸起或实现其他复杂的弯曲。Verduzco说，要克服这一限制从而提升材料有用性，将打印过程与形状“脱钩”是重要一环。“这些材料一旦制造出来，就会自动改变形状，”Verduzco说。“我们需要一种方法来控制这种形状变化。我们的简单想法是连续使用多个化学反应打印材料，然后指示它将如何改变形状。可在控制初始形状和最终形状方面提供更大的灵活性和更多的操作空间，实现复杂结构的打印。”

图2：工程师Rafael Verduzco和研究生Morgan Barnes开发在温度、电流或压力变化下打印变形材料的新方法。

两大挑战：
实验室面临的挑战之一是如何制作一种液晶聚合物“墨水”，实现两组相互排斥的分子链接，其中一组具有最初打印的形状，另一组通过手动印刷和干燥材料制成。实验人员需要制造出一种聚合物混合物，即可以在催化剂浴中打印出来，又能保持原始形状。一旦得以实现，材料就可以在加热或冷却等情况下来回变形。

巴恩斯说:“我们必须优化许多参数，如使用的溶剂和催化剂以及溶胀度和油墨配方，以使油墨迅速固化实现打印，同时不会对期望的最终形状产生抑制。

图3：莱斯大学实验室使用3D打印制作变形材料的过程，这些材料可能有助于制造软机器人或作为生物医学植入物。

实验室面临的挑战之二是打印支持的结构有限，比如打印不出柱状物。要突破此限制从而打印更复杂的形状组合，需要一种在印刷过程中胶化能力足够强的溶液。获得这种能力将允许研究人员。

提及未来研究，巴恩斯说:“我们将进一步优化打印配方，并使用支架辅助打印技术来创建在两种不同的复杂形状之间过渡的传动装置。一旦有所突破，就可以制造出像水母一样的软机器人，甚至可以制造出适合身体的可随意改变形状的医疗植入物。”