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中科院超高性能水凝胶的技术,让4D打印更近一步 多一个D,它能自动上演“变形记”

来源:羊城晚报 2021-02-15 00:38   http://www.kaoping.org/

4D打印的运动鞋(资料图片)

□建平

中国科学院兰州化学物理研究所2020年年底发表的一篇论文称,研究员王晓龙带领的团队在一项关于超高性能强韧水凝胶3D打印的研究方面已有成果。这种三维水凝胶结构在4D打印领域也将具有较大应用潜能,能为智能机械、软体机器人等新兴领域提供新的设计思路和解决方案。

4D打印是什么呢?很多人或许还不太了解。它其实是建立在3D技术基础上的一种新技术。3D打印的结构在外界刺激下,再持续发生形状或者结构的改变,便成为4D结构。新研发的这种新型水凝胶就是可以在3D打印结构再创造多一个时间维度,让已成形的打印结构再生变化。

4D打印未来将大放异彩

从3D到4D,多了一个“D”,其实就是多了一个时间维度。

这项技术早期由美国麻省理工学院的自组装实验室和美国明尼苏达州与以色列合资的一家3D打印机制造商斯特塔西有限公司合作开发。研究者称,这项技术不但能够创造出“有智慧、有适应能力的新事物”,还可以彻底改变传统的工业打印甚至建筑行业。因为它打印出来的结构大小形状可以随时间变化。比如一段4D打印的水管,能够在温度等条件变化下,自动地膨胀或者收缩,甚至起伏波动,那么它或许就可以实现水流自动传送,而无需再施以外力或动能;一件4D打印技术的伪装服,可以根据季节、周围环境的变化重塑自身的形态和颜色,那么它或许可以为侦查人员执行任务提供更大便利性;而一辆可折叠的汽车、一间可随时改变朝向、内饰的房子等,在4D打印的支持下,都可能成为现实。

因此研究者预测,这项技术将在家具制造业、生物医疗领域、建筑领域甚至是宇宙航天领域大放异彩。

“再次塑形”创造无限可能

兰州化学物理研究所开发的这种三维水凝胶结构,通过3D打印成形后,再依次进行冷冻-解冻循环和柠檬酸钠溶液浸泡配位等处理后,即可形成一种超高强韧水凝胶,不仅拉伸强度、韧性等物理性能大大提高,还能实现包括木堆晶格、蜂巢以及螺旋等三维复杂结构的成形制造,通过局部双重物理网络强化策略,即可实现具体形态比如鲸鱼、章鱼以及蝴蝶等的再次塑形。

正是这种再次塑形的能力,让这种水凝胶的作用有了质的提升。之前美国一项3D打印水凝胶技术,可以让3D打印材料替代人体自然组织,比如承重部位的膝盖软骨,减少关节置换的需要;2019年,强生集团推出使用透明质酸等生物材料3D打印的面膜,可以提供更精准的护肤效果。如果用新型水凝胶将这些创新产品再次升级,或许就可以实现真正的“量体裁衣”、“器官替换”……

其实中国在2016年已首次采用生物可降解材料,成功将4D打印气管外支架用于婴儿复杂先天性心脏病合并双侧气管严重狭窄的救治;2017年巴黎时装周上,阿迪达斯公司发布了一款4D打印的运动鞋,声称“脚感更舒适”;2018年,香港城市大学的研究团队还成功开发出一种4D打印陶瓷技术,采用“墨水直写技术”,打印出可折叠变形的蝴蝶、玫瑰、裙子等陶瓷折纸结构。

相信持续开发的4D打印技术还将生产出更加个性化的产品,甚至利用设计和编程实现物质世界的数字化,在这个世界的任何地方、任何环境下都可以随时制造所需产品。这项技术也势必会激发科学家和工程师设计出更多种功能夸张的动态物体,令设计与制造业步入“物质程序化”的另一个全新阶段。

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