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  4D打印技術(shù)是在傳統(tǒng)的3D打印基礎(chǔ)上采用自形變軟材料（self-morphing soft materials）作為打印“墨水”。因此4D打印的物體在外部環(huán)境刺激（例如光，熱，電場(chǎng)，磁場(chǎng)等）下，其結(jié)構(gòu)，性質(zhì)或者功能可以發(fā)生改變。這一特性使得4D打印技術(shù)在軟體機(jī)器人，柔性電子器件以及生物醫(yī)學(xué)料等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力從而獲得了來(lái)自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。近日，密蘇里大學(xué)林見(jiàn)教授課題組報(bào)道了一種基于施加應(yīng)變來(lái)定量控制打印物形變的新型4D打印策略。

圖 1

  研究人員首先在硅橡膠中引入可相變的石蠟微球，從而獲得形變可控的彈性復(fù)合材料 (圖1A-B)。在預(yù)拉伸作用下，硅橡膠宏觀上會(huì)發(fā)生形變，微觀上會(huì)形成梭狀微空腔而石蠟微球會(huì)與硅橡膠基質(zhì)發(fā)生分離。在隨后的加熱過(guò)程中，石蠟會(huì)被融化成液體，進(jìn)而填充由于拉伸而產(chǎn)生的梭狀空腔。當(dāng)冷卻后，石蠟的形狀就從球狀變成梭狀。當(dāng)拉伸應(yīng)力去除后，梭狀石蠟會(huì)阻止硅橡膠的完全復(fù)原，從而將一部分應(yīng)變保留下來(lái)（圖1C）。值得注意的是，拉伸應(yīng)變與被保留的應(yīng)變存在比較好的線性關(guān)系（圖1D），為下一步的結(jié)構(gòu)變化的定量控制打下基礎(chǔ)。

圖 2

  研究人員使用雙噴頭3D打印機(jī)以石蠟/硅橡膠和二氧化硅/硅橡膠分別作用打印材料，并打印得到兩種的雙層結(jié)構(gòu)。在殘余應(yīng)變失配的作用下，兩種雙層結(jié)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)了彎曲 (curling) （圖2A-C）） 和折疊 (folding) （圖2D-F），同時(shí)曲率（圖2B）和折疊角度（圖2E）均與施加的應(yīng)變存在較好的線性關(guān)系。

圖 3

  除了彎曲和折疊，研究人員通過(guò)打印結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了屈曲 (buckling)這一形變模式（圖3A-B）。同時(shí)隨著施加形變的增加，折疊的波長(zhǎng)會(huì)減小。此外，研究人員證明了屈曲和折疊兩種形變模式可以同時(shí)在同一個(gè)打印結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)（圖3C）。

圖 4

  另外，研究人員設(shè)計(jì)打印了折紙圖形并利用逐次折疊技術(shù)證明了多層結(jié)構(gòu)構(gòu)建的可能性 (圖4)。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)基于逐次折疊技術(shù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，蠟燭灰作為一種廉價(jià)并且具有高效光熱轉(zhuǎn)換效率的材料被加入到打印石蠟/硅橡膠中，在燈的照射下實(shí)現(xiàn)了局部熱處理。

圖 5

  最后，研究人員通過(guò)4D打印的硅橡膠復(fù)合材料制備了3D電子器件（圖 5A-B）和可穿戴電子器件（圖 5C）。基于曲率和施加應(yīng)變的關(guān)系，研究人員實(shí)現(xiàn)了指環(huán)狀傳感器（圖 5D）的構(gòu)建，可用于心電信號(hào)的檢測(cè)（圖5E）。

  此項(xiàng)研究提供了一種新思路用于4D打印制備硅橡膠基的可編程復(fù)合材料。該研究對(duì)可形變材料的研發(fā)有著重要的啟示作用，同時(shí)也將推動(dòng)4D打印技術(shù)在柔性機(jī)器人，傳感器、人工肌肉, 人體微機(jī)器人等領(lǐng)域的重要應(yīng)用。該研究日前以題為“4D Printing Elastic Composites for Strain-Tailored Multistable Shape Morphing”發(fā)表在國(guó)際知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。論文第一作者為鄧恒博士，共同第一作者為張馳博士，論文通訊作者為密蘇里大學(xué)Prof. Jian Lin（林見(jiàn)教授）。

  文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c17618?fig=fig2&ref=pdf