供稿人：齊晨云 連芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-12-23
植物的感性運動是植物體受到不定向的外界刺激而引起的局部運動，無需消耗額外代謝能量，這是由于各個運動的植物結構在其單個細胞和組織中經(jīng)常表現(xiàn)出吸濕性行為，它們可以從環(huán)境中吸收和解吸水分子，使細胞在垂直于纖維素的方向上發(fā)生變形，造成各向異性的膨脹或收縮。當以雙層的形式排列時，植物器官結構的單個細胞之間的差異性膨脹會導致整體形狀的變化。植物的被動適應性在生物仿生特別是矯形器等可穿戴輔助技術中有著巨大的前景。
薯蕷通過其莖部螺旋線的拉伸，隨著其托葉的擴張，對宿主植物表現(xiàn)出一種擠壓力，避免了因重力作用而在宿主植物上滑動，這種擠壓行為是平滑、連續(xù)的，而不是離散的，這就為適應性可穿戴設備的設計提供了一個很好的思路。受此啟發(fā)，Tiffany Cheng[1]等提出了一種用于4D打印材料系統(tǒng)的材料編程方法，并用熔融纖維制造（FFF）打印機使用木材填充的長絲對整體材料系統(tǒng)進行4D打印，在手腕前臂夾板(一種常見的矯正裝置)上實現(xiàn)了自緊功能（圖1）。
圖1：仿生過程，從生物模型到可穿戴設備。
莖部產(chǎn)生擠壓力的過程通?？煞譃閮蓚€階段:1)圍繞支撐物的螺旋、松散纏繞；2) 離散的側向結構（分布在螺旋內(nèi)表面上的托葉）的延遲膨脹向支撐物施加壓力——因此向外推動螺旋，從而張緊系統(tǒng)，其過程如圖2所示。
圖2. 以莖為啟發(fā)的a)纏繞過程b)側向結構膨脹施壓及張緊過程。
自成形材料系統(tǒng)可以看作簡單子機構的集合，這些形狀改變的基本單位叫做運動機構，單個運動機構由至少兩種不同的材料組成: 響應的刺激致動材料和保持相對穩(wěn)定的限制材料(與前者相比)。在響應刺激時，兩種材料產(chǎn)生不同的體積變化，通過彎曲產(chǎn)生空間轉(zhuǎn)換。通過設計運動機構中致動材料不同條帶的長度，可實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的不同角度和量。對此，作者提出了一種模擬托葉的袖珍機構（圖3），該機構由五個部分組成，使用木材-聚合物復合材料(WPC)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)長絲的組合，由于吸濕性，WPC在干燥或低相對濕度條件下釋放水分，在潮濕或高相對濕度條件下獲得水分，通過4D打印成形使每一個部分都單獨變形以形成空隙實現(xiàn)張緊。
圖3.袖珍機構的組成和張緊。
作者使用兩個具有鏡像手性的雙螺旋測試了系統(tǒng)在光滑支撐上穩(wěn)定自身的能力。其中包含袖珍機構的系統(tǒng)能夠適應并抓住直徑范圍從15到30 mm的支架。相比之下，僅由螺旋(沒有任何袖珍機構)組成的相同系統(tǒng)僅能夠在30 mm直徑的支撐物上穩(wěn)定自身。作者將這一生物啟發(fā)的運動機制應用到具有自適應收緊的4D打印矯正夾板的原型中（圖1c），在長期使用過程中，用于固定的自成形裝置可以被編程為隨著時間的推移慢慢收緊自身(消除了由于肌肉萎縮而頻繁移除和重新使用石膏的需要)。
通過仿生設計和材料的組合，4D打印夾板結構可以進行修改，以擁有比植物模型中出現(xiàn)的更多令人滿意的功能(如具有多種定制屬性的袖珍機構)，最終增加生物啟發(fā)的自適應可穿戴設備的實用性。