4D打印新模式？熱能誘導工藝將為3D打印提供“百變油墨”

導讀：南極熊獲悉，來自新罕布什爾州達特茅斯大學的研究人員開發(fā)了一種新的凝膠3D打印工藝，即利用熱量來控制墨水內(nèi)分子環(huán)的排列，進而能夠通過墨水3D打印方法制造出具有不同機械強度的物體。

研究人員將這個過程稱為 "熱能誘導（Kinetic Trapping）"，這其中會使用到分子阻斷器（也稱減緩劑），以此來改變墨水中分子環(huán)的分布，從而創(chuàng)造出可3D打印的凝膠，這些凝膠可以折疊、滾動，亦或是在被水分激活時還可以保持其形狀。

據(jù)研究小組稱，他們的新方法在打印快速響應(yīng)器件和軟體機器人方面具有不可比擬的優(yōu)勢，這種新型打印過程的供能模式是可持續(xù)的，例如只需要感應(yīng)濕度變化便可以做出響應(yīng)，未來有希望應(yīng)用到醫(yī)療設(shè)備或工業(yè)設(shè)施中。

達特茅斯大學化學系助理教授、該研究的高級研究員柯晨峰說："這種新方法利用熱量來生產(chǎn)和控制具有各種特性的3D油墨，它可以使復雜物體的3D打印變得更容易、更加低成本。"

△達特茅斯學院柯氏功能材料研究組開發(fā)的Kinetic Trapping工藝。圖片來自Chem.

熱能誘導是如何工作的？

這一新工藝由達特茅斯學院的柯氏功能材料小組開發(fā)，該研究團隊的主要研究方向為3D和4D打印應(yīng)用開發(fā)智能材料。他們將熱能誘導描述為一個過程，利用熱量改變化學鏈上分子環(huán)的排列和數(shù)量。

在化學中，"環(huán)"指的是一個分子內(nèi)的原子和鍵的循環(huán)。通過使用分子擋板或減速劑，研究人員能夠調(diào)節(jié)進入聚合物鏈中環(huán)的數(shù)量，并利用熱量控制其分布。當環(huán)被堆積起來時，它們儲存的熱能隨后可以被釋放，類似于壓縮的彈簧被松開。

在這個過程中使用到的分子減速器也制造出了3D打印所需的墨水，隨著時間的推移分子環(huán)的分布發(fā)生改變，并將材料從粉末變?yōu)榭纱蛴〉哪z。然后，水分的注入將被用來激活3D打印物體的不同形狀。

達特茅斯大學團隊使用的材料包括由環(huán)糊精和聚乙二醇組成的分子結(jié)構(gòu)，這些物質(zhì)經(jīng)常被用作食品添加劑和糞便軟化劑。研究人員通過在聚乙二醇中添加減緩劑，使物質(zhì)結(jié)構(gòu)的能量維持在穩(wěn)定狀態(tài)，進而可以通過響應(yīng)濕度的變化使3D打印物體轉(zhuǎn)化為形狀也可以隨之改變的器件。

這項研究的第一作者林前明表示，這種方法能夠利用溫度來創(chuàng)造出復雜的形狀，并且濕度的改變就是啟動反應(yīng)過程的鑰匙。

△柯晨峰（左）化學助理教授和林倩明（右）在柯氏功能材料組開發(fā)用于3D和4D打印應(yīng)用的智能材料。照片來自Eli Burakian/Robert Gill。

“熱能誘導”概念驗證過程

據(jù)研究人員稱，大多數(shù)常見的3D打印油墨具有統(tǒng)一的分子成分，可提供具有單一屬性的打印對象，如硬度或彈性。因此，打印一個具有多種屬性的物體需要準備不同的墨水，并使它們一起工作，這既是一個耗時又耗力的過程。

為了解決這些缺點，研究人員開發(fā)了熱能誘導技術(shù)來生產(chǎn)3D打印物體，使其成為能夠?qū)λ趾透淖冃螤钭龀龇磻?yīng)的執(zhí)行器。

為了證明他們的研究，該團隊使用由熱能誘導制備的墨水3D打印了一朵花。由于分子環(huán)的可變排列，花的不同部分被發(fā)現(xiàn)具有不同程度的靈活性。隨后產(chǎn)生的混合特性使花的柔軟花瓣在接觸到水分時能夠閉合，而花的較堅硬部分則提供了支撐結(jié)構(gòu)。

對此，研究團隊解釋說："這個物體的不同部分來自同一種打印油墨，它們有著相似的化學成分，但分子環(huán)的數(shù)量和分布不同。這些差異使產(chǎn)品具有截然不同的機械強度，并導致它們對水分的反應(yīng)不同。"

展望未來，研究小組將繼續(xù)尋求完善熱能誘導的過程，以實現(xiàn)對多單元穩(wěn)定狀態(tài)的精確控制。他們希望，這種方式成功打印出快速反應(yīng)的執(zhí)行器件和軟體機器人，并對濕度變化甚至其他可持續(xù)的供能模式做出反應(yīng)。此外，研究小組認為由此制造的3D打印物體將來可應(yīng)用到醫(yī)療設(shè)備或工業(yè)設(shè)施內(nèi)。

關(guān)于這項研究的更多信息可以在《Chem journal》雜志上發(fā)表的題為 "Kinetic trapping of 3D printable cyclodextrin-basedpoly(pseudo)roxtaxane networks"的論文中找到。這項研究的共同作者是：Q.Lin, L. Li, M. Tang, L. Zou, K. Ito, C. Ke, S. Uenuma, J. Samanta, S. Li, X.Jiang。

相關(guān)論文鏈接：https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(21)00308-9?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2451929421003089%3Fshowall%3Dtrue

3D和4D打印執(zhí)行材料的進展

增材制造的軟體機器人和執(zhí)行器領(lǐng)域是一個經(jīng)過了充分研究的領(lǐng)域，并不斷有新的研究成果出現(xiàn)。響應(yīng)外部刺激（如時間或溫度）后材料產(chǎn)生變形的方法通常被稱為4D打印，并在最近幾年獲得了越來越多的關(guān)注。

南極熊認為，除了采用熱量、濕度作為誘導源之外，光線波長以及光照強度同樣可以作為這種誘導模式的一部分。就在前不久，我國南方科技大學的研究團隊也曾發(fā)表過類似的研究，采用光固化4D打印出超高力學性能形狀記憶高分子材料。這種新材料在橡膠態(tài)斷裂應(yīng)變超過1240%，在150%-250%的應(yīng)變區(qū)間甚至可以重復加載超10000次。

瑞典林雪平大學的一個研究小組開發(fā)了一套用于軟性微型機器人的微執(zhí)行器。這些執(zhí)行器含有一種電活性聚合物，在有電荷的情況下改變形狀，賦予它們4D能力。

在其他地方，日本山形大學的科學家們開發(fā)了一種完全3D打印的致動器，可以構(gòu)成海洋野生動物監(jiān)測應(yīng)用的水母狀軟體機器人的基礎(chǔ)。而加州大學圣地亞哥分校的研究人員則發(fā)現(xiàn)了一種3D打印液晶彈性體的新方法，通過在打印過程中和打印后改變熱打印參數(shù)來實現(xiàn)功能分級的特性。由此產(chǎn)生的執(zhí)行材料有可能應(yīng)用于軟體機器人和人工肌肉。

同時，來自德克薩斯州萊斯大學的研究人員一直在研究一種新的方法，使4D打印中的變形材料得到更多的控制，這使得3D打印物體在暴露于溫度、電流或應(yīng)力的變化時能夠呈現(xiàn)出不同的形式。