供稿人:趙廷澤 連芩 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2019-03-07
變形系統(tǒng)在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，包括智能紡織品、自主機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、藥物輸送和組織工程。日前，哈佛大學(xué)A. Sydney Gladman等人受到植物系統(tǒng)的啟發(fā)，打印了復(fù)合水凝膠結(jié)構(gòu)，由于水凝膠中添加的纖維素纖維在打印后按照打印規(guī)定的路徑排列，導(dǎo)致復(fù)合水凝膠溶脹性能產(chǎn)生各向異性，打印結(jié)束后將打印結(jié)構(gòu)浸泡在去離子水中，可以觀察到打印結(jié)構(gòu)隨時(shí)間推移而變形。圖1為該方法的原理圖。
圖1 通過仿生4D打印實(shí)現(xiàn)局部各向異性的編程
在打印過程中，當(dāng)墨水流經(jīng)噴嘴時(shí)，這些墨水中的纖維素纖維由于發(fā)生剪切而引起排列，從而導(dǎo)致打印的微絲具有各向異性的剛度，因此，橫向與縱向(沿著微絲長度方向)相比有著不同的溶脹行為。
圖2為仿生4D制造的“花朵”，且“花朵”隨著浸泡在去離子水中的時(shí)間推移，其結(jié)構(gòu)形狀也發(fā)生了變化。
圖2 仿生4D打印制造的復(fù)雜花朵形態(tài)。以每片花瓣的長軸為方向，填 充方向（a）為0°/90°和填充方向?yàn)椋╞）-45°/45°的雙層花朵，隨 著時(shí)間推移，花朵的一系列的溶脹過程。（比例尺5mm）
作者團(tuán)隊(duì)的4D打印方法依賴于在時(shí)間和空間上對(duì)于材料和幾何形狀的結(jié)合，可以通過控制打印參數(shù)，如微絲直徑、長度、方向以及微絲之間的間距，創(chuàng)建具有可控各向異性的雙層結(jié)構(gòu)，使之在去離子水中可變形成目標(biāo)形狀。