麻省理工發(fā)明新型4D打印技術(shù)：幾秒將埃菲爾鐵塔“掰直”

亞萌

近日，來自麻省理工學(xué)院（MIT）和新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)（SUTD）的研究人員們開發(fā)出了一種新的4D打印技術(shù)，可以讓打印出來的物體在幾秒鐘之內(nèi)，由一種形狀“自動(dòng)”轉(zhuǎn)變成另外一種形狀，而其中只需改變一點(diǎn)環(huán)境的溫度即可。

所謂的“4D打印”它比傳統(tǒng)的3D打印多引入了一個(gè)維度—時(shí)間，這里的“時(shí)間”指的就是物體外形隨著時(shí)間流逝，按照期望的路徑發(fā)生改變。

其實(shí)4D打印技術(shù)并不是新鮮玩意兒，只要是具有“形狀記憶”功能的材料都會(huì)在特定外界刺激條件下發(fā)生形變，即所謂的獲得一個(gè)外界“觸發(fā)器”。但是，這個(gè)新技術(shù)的特點(diǎn)是形變速度極快，只需幾秒鐘的時(shí)間，而且使用的記憶材料可以承受巨大形變。

你一發(fā)燒，藥物就自動(dòng)釋放出來

研究這項(xiàng)技術(shù)的主要團(tuán)隊(duì)成員包括SUTD大學(xué)的葛锜教授、MIT“納米光電與3D納米制造實(shí)驗(yàn)室”的方絢萊（NicholasX.Fang）教授、羅格斯大學(xué)的Howon Lee教授及其他來自SUTD大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的研究人員。相關(guān)論文已經(jīng)于8月8日發(fā)表在在線科學(xué)雜志Scientific Reports上。

4D打印、快速形變、溫度觸發(fā)器，這些特性使得該項(xiàng)技術(shù)將在太陽能、醫(yī)學(xué)和太空等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。例如，制作出一個(gè)軟性驅(qū)動(dòng)器，調(diào)節(jié)太陽能電池板與太陽光線的角度，或者制作微型藥物膠囊等。

方絢萊教授說道：“我們最終是想利用人體溫度作為觸發(fā)器。如果我們恰當(dāng)?shù)貙?duì)這些聚合物進(jìn)行設(shè)計(jì)，就可以制作出一種藥物傳送載體。而只有當(dāng)人發(fā)燒、體溫上升的時(shí)候，里面的藥物才能被釋放出來。”

研究團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)出了一個(gè)“小爪子”，他們先把小爪子打開，然后將其周圍空氣溫度升至40攝氏度，這時(shí)小爪子就迅速收縮，抓住了下面的物件。

更特別的是，小爪子還十分“溫柔”，可以靈敏地抓起魚卵，甚至是豆腐等物體。

關(guān)鍵：“微立體光刻”+新型復(fù)合材料

其實(shí)很多研究人員曾試圖用3D打印機(jī)制作出形狀記憶物體，但是由于制作過程還停留在毫米的水平，所以就限制了材料恢復(fù)的速度。

方絢萊教授的這種技術(shù)里，使用了高分辨率投影的“微立體光刻”（Microstereolithography）技術(shù)，在微米級(jí)的水平上進(jìn)行物體的設(shè)計(jì)（1毫米=1000微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑），這種技術(shù)使得材料的恢復(fù)速度變得極快。

方絢萊教授說道：“事實(shí)是，如果你能夠在更微小的水平上制作，那么這些材料就會(huì)在幾秒鐘內(nèi)快速恢復(fù)。以自然界的花朵為例，一朵花可以在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)釋放出所有的花粉，這是因?yàn)樗挠|發(fā)機(jī)制是在微米量級(jí)上發(fā)生的。”

與此同時(shí)，研究人員也一直在尋找理想的聚合物組合，來做出一種形狀記憶材料，以適應(yīng)其光刻圖案。他們選中了兩種聚合物，一種形狀像是彎彎曲曲的意大利面，另一種形狀交錯(cuò)縱橫，像是建筑工地上的腳手架。他們將兩種聚合物混合在一起，所形成的新材料可以承受巨大的拉伸和扭曲，而不會(huì)損壞。

這種新型復(fù)合材料的特點(diǎn)是：可以承受巨大的形變，可拉伸至原有形狀的3倍，比現(xiàn)存的任何可打印材料的變形程度都要大。

更重要的是，新材料可以“彈回”至原來的形狀，即剛從打印機(jī)里出來時(shí)的形狀。當(dāng)暴露在40～180攝氏度溫度下時(shí)，它能在幾秒鐘內(nèi)利索地恢復(fù)原形。

方絢萊教授表示：“如果能將整個(gè)制作過程降至更小的量級(jí)，我們或許能夠?qū)⒒謴?fù)時(shí)間縮短至幾毫秒。”