哈佛开发出新型水凝胶4D打印结构 — 遇水即可自动变形

4D打印是一种革命性的新技术。这一概念准确的说是一种自变形材料，只要受到某些因素的刺激（比如光、热、电、磁和振动），就能在无需机电设备的情况下自动变形为预设的形状。由于具有极大的应用前景，这种技术正在以丝毫不逊于3D打印的高速度迅猛发展着。最近，在这方面处于全球领先地位的哈佛大学保尔森工程与应用科学学院（SEAS）就与威斯生物工程研究所联合开发出了一种新型的微观4D打印结构。

这种新型4D结构是研究者通过3D打印技术使用一种“水凝胶墨水”制成的。该墨水是从一种含有木纤维的特殊水凝胶复合材料中提炼萃取的。由于使用了专门的材料预测模型，该结构会在遇水后逐渐膨胀、变硬，直至完全变形为预编程的形状。

毫无疑问，这种在外部刺激下就能自动变形为预设形态的能力在智能织物、柔性电子产品、生物医疗用品和组织工程等方面都有重大的应用价值。

为了进一步验证这种新结构，研究者们以同样的方法制作了两朵“4D兰花”。通过下面的视频，你可以了解整个的3D打印过程以及变形效果：

两朵4D兰花的3D打印过程与我们熟知的常规3D打印很相似，都是由打印头将材料挤出，再层层叠加，直至完成整个对象。“我们的数学模型精确规划出了实现预设形状所需的打印路径，解决了对结构编程会遇到的最大挑战 — 倒转问题，”参与项目开发的博士后Elisabetta Matsumoto表示，“使用完全可调与可编程的方法，我们能够同时控制离散性和连续性。”

另外，决定材料会对刺激做出怎样反应的数学模型还可用于其它材料。也就是说可以通过交换不同的材料来协调不同的属性，比如导电性和生物相容性。

“能以源于自然的工程结构设计并实现出这些4D结构非常棒，”已经研究过植物卷须盘绕，花朵绽放和松果开合等自然现象的Mahadevan表示，“现在，我们能够采用逆向工程来解决多种问题，比如局部不均匀性，打印丝的间距，这些细丝的各向异性（也就是方向）等。”

“这项借助多个学科力量完成的工作展现了可编程材料组装方面的极大进步，”参与开发的高级研究员Jennifer A. Lewis表示，“我们正在超越单纯的变形与功能，希望进一步创建出可变形的建筑。”

目前，这一具有重大应用价值的先进项目已经得到了美国陆军研究办公室（ARO）和国家科学基金会材料科学与工程研究中心（MRSEC）的支持。

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