軟硬可變、形狀可變的4D打印超材料

         超材料是指材料的設(shè)計(jì)表現(xiàn)出不同尋常的特性，是具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。 迄今發(fā)展出的“超材料”包括：”左手材料”、”光子晶體”、”超磁性材料”等。美國羅格斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款新的4D打印超材料，該材料經(jīng)過特殊的設(shè)計(jì)，能夠在一定條件下發(fā)生性能變化，既可以變得像木材一樣堅(jiān)硬，又能夠變得像海綿一般柔軟。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)，這款超材料未來可應(yīng)用于制造飛機(jī)、無人機(jī)機(jī)翼，軟機(jī)器人，植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等。

來源：Material Horizons

 軟硬可變形狀可變

      有關(guān)這款4D打印超材料的研究論文發(fā)表在了Materials Horizons雜志上，論文為“4D printing reconfigurable, deployable and mechanically tunable metamaterials”。在論文中，研究團(tuán)隊(duì)表示，機(jī)械超材料的外來特性來自微結(jié)構(gòu)元素的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 然而，超材料具有固定的特性而沒有適應(yīng)和調(diào)整的能力。在研究中，他們提出了通過3D打印設(shè)備和具有形狀記憶屬性的聚合物材料，創(chuàng)建幾何可重構(gòu)，功能可部署和機(jī)械可調(diào)輕質(zhì)超材料，實(shí)現(xiàn)了超材料的剛度，幾何形狀和功能的顯著且可逆的變化。這款聚合物材料制成的超材料具有可調(diào)特性，材料在被擊打時(shí)會(huì)保持剛性，或者像海綿一樣變軟以吸收震動(dòng)。

     材料的剛度也能夠根據(jù)溫度變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)溫度在室溫水平和194華氏度之間，材料剛度可以調(diào)節(jié)超過100倍，從而實(shí)現(xiàn)很大程度的減震控制。該材料還可以改變形狀，然后在加熱時(shí)恢復(fù)其原始形狀。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)，這款超材料的未來應(yīng)用前景可期，潛力是用于制造飛機(jī)或無人機(jī)機(jī)翼，通過“自動(dòng)”調(diào)整形狀獲得更好的性能。它們還可用于生產(chǎn)柔軟、靈活的機(jī)器人，或制造小型植入式醫(yī)療器械。使用這種材料制造的植入器械，在植入式暫時(shí)變得柔軟，從而易于進(jìn)行微創(chuàng)植入。此外，由于這款超材料還具有可折疊的特點(diǎn)，因此未來可用于制造可折疊的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。

Review

      4D打印是指在第四維度形狀或功能發(fā)生改變，換句話說，4D打印允許對象被3D打印后其形狀和材料特性暴露在一個(gè)預(yù)先確定的刺激如浸沒在水中，或暴露于熱、壓力、電流、紫外線或一些其他的能源刺激下，其功能或形狀發(fā)生特定的改變。4D 打印技術(shù)之前大都應(yīng)用在聚合物材料中。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授研究組，在從材料出發(fā)，開 發(fā)了不同系統(tǒng)的硅膠基質(zhì)納米復(fù)合彈性體材料作為陶瓷前驅(qū)體。

      這些彈性體材料的特性使其可以完成從 3D 打印到變形的過程，并且最終轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾山Y(jié)構(gòu)，從而逐步實(shí)現(xiàn)打印陶瓷折紙結(jié)構(gòu)和 4D 打印陶瓷。這種 4D 打印結(jié)合了 3D 打印，自變形組裝和彈性體衍生陶瓷在大尺寸陶瓷結(jié)構(gòu)的形狀復(fù)雜程度、機(jī)械強(qiáng)度、制造成本和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境能力上實(shí)現(xiàn)了突破，有望廣泛應(yīng)用在太空探索，3C 電子產(chǎn)品，航空發(fā)動(dòng)機(jī)，防彈軍事裝備，和高溫微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域中。