受薯蓣缠绕生长机制启发，科学家4D打印出新型仿生腕部夹板

导读：2021年8月7日，南极熊获悉，来自弗莱堡大学和斯图加特大学的研究人员开发了一种新型的4D打印可穿戴医疗设备的方法，该设备可根据患者的解剖结构进行自我调整。研究团队受薯蓣植物（Dioscorea bulbifera，一种缠绕草质藤本）繁殖机制的启发，联想到打印的系统可以预先编程，以便在接触到水分时进行复杂的运动。他们已经利用该方法4D打印了一个自紧式矫形手腕夹板，打印夹板可以自行缠绕在病人的手臂上。

本项研究的共同作者Tiffany Cheng在《Materials Today》上的论文中解释说："我们展示了如何将生物学的功能和结构原理转移到技术材料系统。这项工作也在扩展仿生解决方案的设计空间和可调功能方面迈出了重要一步"。

△4D打印的腕部夹板。图片来自弗莱堡大学

受生物启发诞生的4D打印

当一个3D打印结构的形状被设计成随着时间的推移而变形时，它被称为4D打印。这些几何形状的转变可以通过任何方式诱导，其中最常见的是电刺激、热和水分。许多4D打印对象都是预先编程的，使用智能放置的层和褶皱来变形，可以收缩和膨胀以达到预期的效果。

顺便说一句，我们可以从大自然中汲取灵感，学习很多关于4D打印系统的知识。毕竟，进化至今的生物是现实中最好的设计师之一。

在这种情况下，弗莱堡团队转向了薯蓣，一种能够通过缠绕在宿主的树干上爬树的藤蔓植物。薯蓣长出被称为托叶的外植体，有助于拉紧缠绕的茎，并对宿主植物产生挤压力。这使薯蓣能够在其宿主上工作，使其更接近生长所需的阳光。

△薯蓣皂角的特点是缠绕茎，有离散的托叶，这些托叶扩展后在茎和其支撑物之间产生间隙，从而使茎处于紧张状态

4D打印可自动锁紧的手腕夹板

为了模仿薯蓣的运动机制，研究人员采用了一种计算设计策略，即有选择地将"弯曲线"打印到夹板本身的几何形状中。就像一张纸上的折痕一样，这些弯曲线的设计是为了确定夹板在暴露于湿气时如何、在哪里以及弯曲到什么程度。

材料的选择在这里也很关键，因为只有对水分有反应的材料才有可能启动夹板。为此，研究团队必须使用一种能够轻松吸收和释放水分的木材聚合物复合材料。

打印的结构还包括几个膨胀和稳定层，它们与弯曲线一起工作，以实现类似于螺旋线的卷曲形式。此外，研究小组在夹板表面打印了口袋，这些口袋的作用是将螺旋线向外推，在设备中产生张力，最终导致整个夹板的收缩。这使该装置能够收紧佩戴者的手臂，以实现个性化的紧密贴合，为手腕提供支持。

本项研究的结论是："通过用一个普通矫形器的工作原型来证明这个概念，我们设想这个设计过程可能使医学专家能够在没有任何数字建模专业知识的情况下，对自我调整的矫形器进行物理设计、原型制作和定制安装。"

这项研究的更多细节可以在题为 "Bio-Inspired MotionMechanisms: Computational Design and Material Programming of Self-Adjusting4D-Printed Wearable Systems"的论文中找到。它是由TiffanyCheng, Marc Thielen等人共同撰写的。

相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202100411

△腕部夹板能够适应性地收紧佩戴者的手腕。图片来自弗莱堡大学

4D打印的应用远远超出了医疗领域，这项新兴技术也可以被很好地应用到软体机器人和电子技术当中。例如，来自瑞典林雪平大学的一个研究小组之前已经使用定制的基于挤压的3D打印机4D打印了一套用于软体微机器人的微执行器。虽然4D打印的软体机器人通常被限制在厘米或毫微米级，但该团队能够将打印设备缩小到微米级领域，实现约20微米的厚度。

最近，德国电子3D打印公司NeotechAMT宣布了一个由欧盟支持的新的Penta项目AMPERE，该项目旨在开发可靠和可扩展的混合增材制造工艺，以生产多功能4D机电系统。该项目将专注于加速4D制造，以加快照明、信号和电力电子等智能系统的可靠生产。