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  生物材料運(yùn)用成分分布及有序微結(jié)構(gòu)控制材料的動(dòng)態(tài)性能，如野小麥種子、松果、豌豆莢及碎米萁等，運(yùn)用纖維的有序結(jié)構(gòu)控制材料的變形行為，形成彎曲、扭轉(zhuǎn)及卷曲等變形，實(shí)現(xiàn)特定的生理功能。基于這種原理，他們提出了仿生4D打印技術(shù)。不同于目前主要依賴異質(zhì)材料組合和幾何形狀設(shè)計(jì)控制4D行為，仿生4D打印通過材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多種形式的編程。他們研究了打印工藝參數(shù)對(duì)液晶彈性體材料液晶單疇定向程度的影響，揭示了工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。運(yùn)用這種關(guān)系，通過控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)了4D液晶彈性體材料變形特性的控制。工藝參數(shù)編程的仿生4D打印，充分挖掘了4D打印內(nèi)在潛力，拓展了4D打印設(shè)計(jì)空間，有助于理解4D打印的本質(zhì)和未來的應(yīng)用開發(fā)。

  生物材料利用內(nèi)部有序結(jié)構(gòu)控制變形，如何利用3D打印形成仿生微結(jié)構(gòu)，并將其用于控制材料變形是一種挑戰(zhàn)。為了驗(yàn)證這種仿生4D打印技術(shù)的可行性，吉林大學(xué)任露泉院士團(tuán)隊(duì)探索了在4D打印過程中打印速度對(duì)液晶彈性體定向程度的影響，揭示了工藝參數(shù)-微結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系，運(yùn)用這種關(guān)系設(shè)計(jì)并4D打印液晶彈性體材料，實(shí)現(xiàn)了彈跳變形、自組裝、震蕩擺動(dòng)及蛇形蜷曲等多種變形，驗(yàn)證了“工藝參數(shù)編程”的可行性。他們指出，該設(shè)計(jì)理念利用了4D打印工藝獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，拓展了4D打印的編程空間，未來可用于柔性機(jī)器人及柔性傳感器等領(lǐng)域。

圖1 打印工藝參數(shù)對(duì)液晶彈性體定向程度及變形特性的影響

  他們首先解析了打印溫度及速度對(duì)液晶彈性體取向程度及變形程度的影響。然而，由于打印溫度不能進(jìn)行快速的變換，他們?cè)诤罄m(xù)的研究中，使用打印速度作為主要編程工具。研究發(fā)現(xiàn)，隨著打印速度的提升，液晶彈性體分子取向程度以及變形程度逐步增加。到達(dá)速度臨界值后，取向系數(shù)急劇降低。

圖2 打印參數(shù)對(duì)液晶彈性體微結(jié)構(gòu)及變形特性的影響（a）液晶彈性體打印溫度對(duì)收縮程度的影響；（b）液晶彈性體打印溫度對(duì)分子取向程度的影響；（c）不同打印速度條件下，液晶彈性體變形實(shí)物圖；（d）液晶彈性體打印速度對(duì)收縮程度的影響；（e）液晶彈性體打印溫度對(duì)分子取向程度的影響。

  根據(jù)4D打印過程中打印速度-變形程度之間的關(guān)系，他們?cè)O(shè)計(jì)了多種形式的變形。其中，他們利用了打印速度在每條打印路徑上的不同分布，設(shè)計(jì)了三種2D網(wǎng)格向3D方向的變換，如圖3所示。

圖3 局部異性的打印速度分布對(duì)2D網(wǎng)格向3D方向變形的影響（a）打印速度均一(3mm/s)；（b）（c）打印速度區(qū)域異性（藍(lán)色線條表示打印速度為3mm/s，紅色線條表示打印速度為10mm/s）。

  探索參數(shù)-微結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系，是仿生4D打印設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵技術(shù)。這種使用工藝參數(shù)的不同分布來實(shí)現(xiàn)變形的各面異形，各線異性甚至各點(diǎn)異性，將成為未來4D變形設(shè)計(jì)方法中一種簡(jiǎn)易高效的編程方式。

  以上成果近期發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces (10.1021/acsami.0c00027)。論文的第一作者為中國(guó)科學(xué)院院士任露泉，第二作者為其博士生李冰倩。通訊作者分別為吉林大學(xué)劉慶萍研究員和英國(guó)曼徹斯特大學(xué)任雷教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.0c00027