4D打印技术制造出复杂的自折叠结构物

据国外媒体报道，研究人员发现，使用具有形状记忆的、对热量感应敏感的材料，4D打印技术能够制造出复杂的自我折叠的结构物。

这项技术是由乔治亚技术学院和新加坡科技大学开发的。它能创造3D结构物，使扁平材料自动连续自我折叠，或滚成货运用的管子。元件对温度、湿度或光的反应敏感，能精确合成空间结构体、可展开的医药器件、机器人、玩具及其他各种结构物。

研究人员使用的这种形状记忆高分子敏感材料（SMPs），有能力记住物体的形状。当温度统一时，能按照程序改变成另一种形状。这是一种随着时间不断改变形状、创造物体的能力，能够在3D物体的基础上，依照指定的模型，在不同的动力机械特性下工作，打印多重多样材料。

元件加热时，由于每个形状记忆高分子材料内部的时钟不同，其改变形状的速度也不同。通过小心地设置这些变化，3D物体能被程序控制，自我复制。

这项基于3D打印模型的自我复制结构物的研究囊括了大量不同的形状记忆敏感材料。图形结构由3D打印机制造，用生成的平面元件，根据不同的刺激条件，制成不同的结构物。

在该项研究的早期，研究人员不得不在平面结构的特定位置上加热，以激发形状变化。“我们使用了多种加热器，在元件的特定区域上加热，使元件持续改变形状，不得不不停地控制每个加热器的开关。”乔治亚技术学院机械工程系的乔治·W·伍德拉夫教授解释道：“早期的努力主要是恰到好处地控制温度，非常复杂。我们改进了方法，使用了一个网域不变的统一温度，之后就容易多了，能让不同的材料通过分子设计自行控制形状变化的速度。”

研究团队通过一系列的例子来证明这一方法可行，比如，让一个平面长片进入有锁的配置，通过控制它的弯度，使其穿过钥匙孔。研究人员还证明，平面板条能自我折叠成一个3D盒子。制作这些结构物要求不同部件的不同部分在连续折叠的时候都要结合得十分精确。

“我们充分地把这种能力应用在了3D打印敏感材料上，将10种不同的材料集合在了一个3D结构物里。”新加坡科技大学的马丁·L·邓恩教授说。邓恩教授也是新加坡科技大学数字生产和设计中心的负责人。“我们现在拓展了数字记忆高分子敏感材料的概念，可以用动力机械性能打印它们，让它们在3D空间里持续变化。”

研究团队使用精细的有限元仿真器件预测3D打印元件的反应，这些器件用两种不同商业用途的形状记忆分子材料制成。研究人员还开发了简化了的降阶模型，能迅速精确地描述自我折叠过程的情况。

“自我折叠的一个重要特点是自我撞击的管理，折叠构造的不同部分接触后，可以阻止其继续折叠。”研究人员还开发了一个度量单位，用于预测撞击。这个度量单位与减阶模型一起使用来设计自我折叠结构物，使结构物可以自我锁定，进入稳定的配置状态。

该研究团队期望这项技术能得到广泛的应用。比如，无人操纵的航空器，原设计使命是巡航，变形后可以潜水。再比如，3D元件原来的设计是平面的或是管状的，目的是为了便于运输，现在可以变形为其他想要的3D结构。

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