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2022-09-02 08:56:13 heminbo888 113

近日,西安交通大学研究团队开发出了一种新的4D打印材料。这种材料具有优异的自修复性、重塑性,可应用于机器人、智能警报器、生物植入体等产品的设计与制造。

  4D打印实现的构件展现出聪慧的自适应、自组装、甚至是自修复能力,展现出在生物医学、生产制造、航空航天等领域的巨大潜力,受到了越来越多人的关注。

  3D打印方兴未艾,4D打印已扑面而来。

  4D打印,增加的不只是一个“D”



  北京环球影城的“形象大使”威震天,虽然只是科幻电影中的虚拟形象,但这一可根据需要变形的机器人,唤起一代人的童年记忆,一经推出即圈粉无数。相信很多孩子都有过这样的想象——拐杖可在下雨的时候自动变成雨伞,沙发能根据承载人的高矮胖瘦自动调整形状,衣服可随环境条件变化自动改变颜色……4D打印的出现,可能会将这样的幻想变为现实。

  2013年TED(Technology、Entertainment、Design)大会上,来自麻省理工学院的研究员斯凯拉·蒂比斯演示了一个神奇的实验。他将3D打印制造出的多串绳状PVC复合材料放入水中后,这种材料自动改变自身形状,组成了麻省理工学院的缩写字母“MIT”。以实验的方式,研究人员将4D打印最直观地展现在了人们面前。

  在4D打印发展初期,人们普遍认为4D打印是在3D打印的基础上增加了一个时间维度。即打印出的物体可以随着时间推移在形态结构上自我进行调整,最终自动达到预先设计要求。

  然而,4D打印比3D打印不只是增加了一个“D”(dimension,维度)。

  随着研究的持续推进,科学家认为,4D打印的概念至少应该包括两个方面:一是它在3D打印基础上增加了新的时间维度,同时空间维度也得到进一步拓展,增强了打印构件随时空变化的能力;二是在外界特定环境条件的刺激下,4D打印不仅能够制造形状发生可控变化的构件,也能够制造性能、功能发生可控变化的构件。

  4D打印之所以能够实现这种神奇的效果,关键在于它以智能材料作为主要原料。4D打印生成的产品在特定环境(比如水、热、电、光、磁等)和交互机制作用下,能够形成具有智能动态结构特征的产品——这与以普通材料作为原料、输出静态结构产品的3D打印有着很大的不同。因此,4D打印也被认为是智能材料的3D打印。

  4D打印生成的产品变化并非是随机的,而是在研究人员预先的“编程”控制下。通过“编程”将设计融入智能材料,实现设计与制造的一体化,从而简化了从设计理念到实物的创造过程。4D打印将“程序化”的造物方式变成了现实,因此有人说,3D打印的产品是“死”的,而4D打印的产品是“活”的。

  风劲扬帆正当时

  随着人类社会阔步向智能化时代迈进,4D打印技术恰逢其时,它与智能材料相互促进、共同发展,已经在众多领域显示出良好的应用发展前景。

  在生物医学领域,4D打印技术已在智能植入支架、药物递送装置以及器官替代物等方面取得重要进展。

  2021年底,中国科学院兰州化学物理研究所研究团队设计开发出了一种新型水凝胶材料,成功实现4D打印血管支架,有望解决血管支架在体内植入后难以再变形的问题;中国科学院沈阳自动化所研究团队利用4D打印技术制造出了一款纳米级软体机器人,可以派它进入人体,进行药物搬运和控释;青岛大学研究团队研发出了一种4D打印干细胞载体,用这种“创口贴”把干细胞“贴上去”,就可以实现创面皮肤的快速再生修复……

  在生产制造领域,4D打印技术呈现出另一个发展方向——打印出体积较小的物品,然后自行组装为最终产品。


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