为增材制造多加一个维度——“4D打印”

欧洲足球赛事 注:3D打印（增材制造）估计已经是家喻户晓的新名词了，但原来还有4D打印这种神奇的新技术，而且在该领域内已经不算什么新技术了，相关研究团队对这项技术作出了一些改进，使得其应用也许变得更加方便。有趣的是，这项新技术跟《北京折叠》中的空间折叠或许有点类似，只是折叠的不是空间，而是3D打印的对象。

研究者已经发现一些3D打印出的可变形结构在受到热或者电的刺激时，可以通过折叠或者解构自身来改变形态，这也被称为“4D打印”。这些微观结构，包括盒状物体、导电设备和支架，都是由一种可导电的环境敏感智能墨水精心打印而成的。

LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory )的研究者已成功证明一些3D打印出的可变形结构在受到热或者电的刺激时，可以通过折叠或者解构自身来改变形态。

在一篇发表于六月Scientific Reports的文章里，该实验室的科学家和工程师发现了一种制造盒形、螺旋形和球形结构的方法：对形状记忆聚合物（SMPs），生物基智能材料进行电阻加热或放置于特定温度环境中来引发其发生形状变换。

然而这种在3D打印中用到环境响应材料的技术（4D打印）并非新技术，但LLNL的研究员率先将3D打印和后续折叠步骤结合起来，用导电智能材料来建造复杂的结构。

研究人员在文章中这样描述他们制造初始特定形状材料的过程：在根据复合物性质预设的温度环境下，将大豆油、共聚物添加物和纳米碳纤维“编程”为一个暂时形态。然后通过其利用周围的热量或通电供热引发其形态改变效应发生，使得材料从暂时形态转变回原始形态。

LLNL材料工程部门的博士后及该文章主要作者Jennifer Rodriguez认为“这就像烘焙蛋糕，你把它在完工前从炉里拿出来，在初始聚合物注塑好后通过折叠或扭转来设置其永久固定结构。”

最终，Rodriguez说，他们可以用这种材料构造极其复杂的部分。

Rodriguez还补充道：“如果我们用这些材料配方在不同的转变温度下打印一个多重结构的版本，并使其在温度梯度下完成形态转变，它们将会在局部完成延展且以某种更复杂的形式解构展开。”

通过直接3D打印过程，这个研究团队已经生产了几种特殊构造：通电或加热时可由曲变直的导电设备，受热后可伸展的血管支架、受热时或开或关的盒子。

他们表示这些技术可被运用到医疗，航天器的可折叠光伏电池阵列，柔性电子回路和机器人设备中。

实验室的科学家James Lewicki说道，“这些材料除了本身的3D结构之外还有更智能的性质：能够记忆之前的结构。这是一种全新的性质，如果人们用这种加电或加热时能解构的智能聚合复合物来打印物品，那么人们得到的将是实时响应的敏感材料，而不是与外界毫无互动的‘呆材’。”

原文链接：'4-D printing' a new dimension for additive manufacturing。

文献链接：Shape-morphing composites with designed micro-architectures.

本文由编辑部杨洪期提供素材，梁嘉豪编译，点我加入材料人编辑部。