仿生染色，復(fù)旦大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)出更環(huán)保的3D打印彩色部件新方法

2022年6月1日，南極熊獲悉，來(lái)自復(fù)旦大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種為3D打印部件添加顏色的新方法，據(jù)說(shuō)這種方法生產(chǎn)的產(chǎn)品比傳統(tǒng)的染色或色素要安全得多。

科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出了一種新型生物相容性墨水，所制備的部件能夠通過(guò)感應(yīng)熱或光的刺激，以實(shí)現(xiàn)"結(jié)構(gòu)著色"改變外觀。研究團(tuán)隊(duì)表示，他們的墨水材料可用來(lái)打印可穿戴的生物傳感器以及安全的兒童玩具。

研究團(tuán)隊(duì)在他們的論文中解釋道："這種液晶墨水保持了一種膽固醇液態(tài)結(jié)晶狀態(tài)，產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性顏色，我們相信它可以實(shí)現(xiàn)新一代環(huán)境友好型的光固化3D打印。"

△一個(gè)3D打印部件在不同的熱條件下改變顏色。圖片來(lái)自《南華早報(bào)》。

克服傳統(tǒng)染色的毒性

在我們的日常生活中，一些像頭發(fā)和衣服染料類(lèi)的消費(fèi)產(chǎn)品，往往會(huì)導(dǎo)致用戶的健康問(wèn)題?？沙掷m(xù)服裝運(yùn)動(dòng)組織good on you甚至表示如今生產(chǎn)衣服中所使用的許多染料都是致癌的，例如"偶氮染料"。雖然這種臭名昭著的染料在歐盟已被禁止，但它們?cè)谌虻钠渌胤饺员粡V泛使用。。

受此啟發(fā)，研究人員對(duì)用于3D打印長(zhǎng)絲著色的顏料產(chǎn)生了興趣。這些用于著色料絲的添加劑因材料而異，它們往往會(huì)因?yàn)楦患鴮?dǎo)致超過(guò)某一些濃度產(chǎn)生毒性。這就是為什么要進(jìn)行如此廣泛的研究，以確定零件是否符合食品或皮膚接觸的 "安全性"，因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域有可能出現(xiàn)交叉污染。

也就是說(shuō)，在許多情況下，熔融長(zhǎng)絲制造的3D打印部件的顏色對(duì)其最終應(yīng)用仍然至關(guān)重要，無(wú)論是逼真的臨床模型還是桌面人物。因此，上海復(fù)旦大學(xué)、南京東南大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的研究人員尋求一種解決方案。如今，他們已經(jīng)在自然界中找到了答案。

具體來(lái)講，科學(xué)家們嘗試復(fù)制一種被稱為結(jié)構(gòu)性著色的效果，這種效果在蝴蝶和孔雀等動(dòng)物中經(jīng)常見(jiàn)到，它們的這種特性可以被用到偽裝、吸引配偶以及其他各種用途中。在實(shí)踐中，這種現(xiàn)象通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)的表面創(chuàng)造出顏色的錯(cuò)覺(jué)，其精細(xì)程度足以干擾可見(jiàn)光，通常不需要色素就能做到。

這項(xiàng)研究的主要作者商洛然表示："當(dāng)材料被照亮?xí)r，光源的一些波長(zhǎng)被反射，創(chuàng)造出我們所看到的顏色。在自然界中，這就是蝴蝶和昆蟲(chóng)、變色龍和一些植物的翅膀上雖然不含顏料，但卻可以呈現(xiàn)出鮮艷顏色和金屬色的原因。結(jié)構(gòu)性著色是基于物理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的顏色，它更加穩(wěn)定，不會(huì)輕易褪色。"

△該團(tuán)隊(duì)使用仿生墨水3D打印的一些原型。圖片來(lái)自張卓浩。

一種 "結(jié)構(gòu)著色"的3D打印墨水

為了配制他們的新型3D打印材料，研究人員將明膠和水凝膠與羥丙基纖維素（HPC）和膽固醇纖維素液晶（CLCs）相結(jié)合。使用HPC作為 "構(gòu)件"，研究小組發(fā)現(xiàn)他們能夠開(kāi)發(fā)出能夠創(chuàng)造出明亮和金屬顏色的CLC，而熱反應(yīng)水凝膠的整合使得這一過(guò)程能夠被紫外線觸發(fā)。

為了評(píng)估他們的材料的變色能力，科學(xué)家們接著在平坦的表面上3D打印出不同形狀的原型，如錫紙和實(shí)驗(yàn)臺(tái)。據(jù)說(shuō)這些部件在每一種情況下，都根據(jù)提示改變了外觀，因此該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在聲稱他們正在研究改進(jìn)其配方的方法，例如用自然衍生的替代品取代其水凝膠。

研究人員表示通過(guò)這樣做，有可能使他們的墨水可以食用，為其提供一個(gè)新的潛在市場(chǎng)來(lái)開(kāi)發(fā)。該團(tuán)隊(duì)還在研究使用他們的材料在彎曲的表面上制造零件的可能性。從理論上講，這可以使復(fù)雜的部件得以產(chǎn)生，如兒童玩具中的部件，由于明顯的原因，這些部件必須符合某些無(wú)毒標(biāo)準(zhǔn)。

研究的共同作者羅冉總結(jié)說(shuō)："未來(lái)我們將進(jìn)一步修改墨水的配方。目前，物體只能被打印在平面上。我們希望該技術(shù)在未來(lái)能夠適應(yīng)不同形狀的曲面，如蘋(píng)果。"

△采取類(lèi)似于仿生的手段，美國(guó)陸軍去年為一種在光學(xué)部件上應(yīng)用類(lèi)似飛蛾的"變形涂層 "的方法申請(qǐng)了專利。照片來(lái)自Rúben Marques。

仿生增材制造

國(guó)內(nèi)科學(xué)家所開(kāi)發(fā)的這種新材料確實(shí)讓人眼前一亮，但令人驚訝的是，自然界已經(jīng)不是第一次成為3D打印創(chuàng)新的來(lái)源了。就在去年，美國(guó)陸軍夜視實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們成功開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的3D打印滾筒，能夠在軍事裝備上沖壓出能使飛蛾隱形的圖案。

與此同時(shí)，浙江大學(xué)的研究人員將墨魚(yú)作為靈感，開(kāi)發(fā)了具有獨(dú)特能量吸收能力的仿生細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)表示，這種部件可以應(yīng)用于飛機(jī)、裝甲、車(chē)輛或建筑的制造中，其重量超輕，但仍能承受自身重量2萬(wàn)倍的變形。

國(guó)立臺(tái)灣科技大學(xué)的科學(xué)家也從海洋生物中獲得了靈感，他們也設(shè)計(jì)出了模仿海膽形態(tài)的新晶格3D打印結(jié)構(gòu)。利用這種生物的機(jī)械穩(wěn)定和承重形狀，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠建立更有效的無(wú)支撐部件。