研究人员了解到3d打印结构可以记住它们的形状

来自麻省理工学院和新加坡科技设计大学(SUTD)的工程师们正在利用光来打印能够“记住”其原始形状的三维结构。即使在被拉伸、扭曲和以极端角度弯曲后，这些结构——从小线圈和多材料花朵，到一英寸高的埃菲尔铁塔复制品——在被加热到特定温度“最佳点”后几秒钟内就恢复了原始形态。

对于一些结构，研究人员能够打印出微米级的特征，小到人类头发的直径——尺寸至少是其他人使用可打印形状记忆材料所能实现的尺寸的十分之一。

麻省理工学院机械工程副教授尼古拉斯·x·方(Nicholas X. Fang)说，形状记忆聚合物可以随着温度的变化而发生可预测的变形，这种聚合物可以应用于许多领域，从将太阳能电池板转向太阳的软驱动器，到在感染早期迹象出现时打开的微型药物胶囊。

“我们最终想用体温作为触发器，”方说。“如果我们能正确设计这些聚合物，我们也许能形成一种药物输送装置，只在发烧的迹象时释放药物。”

方舟子的合著者包括前麻省理工学院SUTD研究员、现任SUTD助理教授的葛琦(Qi“Kevin”Ge);前麻省理工学院研究员、现任罗格斯大学助理教授的Howon Lee;以及来自SUTD和佐治亚理工学院的其他研究人员。

葛说，3d打印形状记忆材料的过程也可以被认为是4-D打印，因为结构被设计成在第四维时间内发生变化。

“我们的方法不仅可以实现微米级的4-D打印，而且还提供了打印形状记忆聚合物的食谱，这些聚合物可以拉伸到比商用3-D打印机打印的聚合物大10倍，”Ge说。“这将推动4-D打印进入广泛的实际应用领域，包括生物医学设备、可部署的航空航天结构和可变形的光伏太阳能电池。”

对速度的需求

方和其他人一直在探索使用柔软的活性材料作为可靠的柔韧工具。这些新兴的材料，包括形状记忆聚合物，可以在热、光和电等环境刺激下急剧拉伸和变形——研究人员一直在研究这些特性，以用于生物医学设备、软机器人、可穿戴传感器和人造肌肉。

形状记忆聚合物特别吸引人:这些材料可以在两种状态之间切换——更硬的低温无定形状态和柔软的高温橡胶状态。弯曲和拉伸的形状可以在室温下“冷冻”，当加热时，材料会“记忆”并恢复到原始的坚固形状。

为了制造形状记忆结构，一些研究人员已经将目光投向了3d打印，因为这项技术可以让他们定制设计具有相对精细细节的结构。然而，使用传统的3d打印机，研究人员只能设计出细节不小于几毫米的结构。方舟子说，这种尺寸限制也限制了材料恢复原始形状的速度。

“事实是，如果你能把它做得更小，这些材料实际上可以在几秒钟内做出非常迅速的反应，”方说。“例如，一朵花可以在几毫秒内释放花粉。它之所以能做到这一点，是因为它的驱动机制在微米级。”

光印刷

为了打印更精细细节的形状记忆结构，方和他的同事使用了他们首创的3d打印工艺，称为微立体光刻，他们使用投影仪发出的光在连续的树脂层上打印图案。

研究人员首先使用计算机辅助设计(CAD)软件创建一个结构模型，然后将模型分成数百个切片，每一个切片通过投影仪以位图的形式发送，位图是一种图像文件格式，以非常精细的像素排列来表示每一层。然后，投影仪在位图图案上照射光线，照射到液态树脂或聚合物溶液上，将图案蚀刻到树脂上，然后固化。

“我们用光一层一层地打印，”方说。“这几乎就像牙医制作牙齿复制品并填充龋齿一样，只不过我们使用的是来自半导体行业的高分辨率镜头，这些镜头为我们提供了复杂的部件，尺寸堪比人类头发的直径。”

研究人员随后查阅了科学文献，以确定一种理想的聚合物混合物，以制造一种形状记忆材料，并在其上打印光线图案。他们选择了两种聚合物，一种由长链聚合物组成，或像意大利面条一样的链，另一种更像坚硬的支架。当混合在一起并固化时，材料可以大幅度拉伸和扭曲而不会断裂。

更重要的是，这种材料可以在特定的温度范围内弹回原来的打印形式——在这种情况下，在40到180摄氏度(104到356华氏度)之间。

该团队打印了各种各样的结构，包括线圈、花朵和微缩的埃菲尔铁塔，其全尺寸的复制品以复杂的钢和梁模式而闻名。方发现，这些结构可以被拉伸到原来长度的三倍而不会断裂。当它们暴露在40到180摄氏度的高温下时，它们会在几秒钟内恢复到原来的形状。

方舟子说:“因为我们使用的是自己的打印机，像素更小，所以我们看到的响应速度更快，大约几秒。”“如果我们能把它们的反应时间推到更小的维度，我们也可能把它们的反应时间推到毫秒。”

软的控制

为了演示形状记忆结构的简单应用，方和他的同事们打印了一个小的、橡胶的、爪状的夹具。他们在夹持器的底部安装了一个细手柄，然后将夹持器的爪子张开。当他们把周围的空气温度调到至少40摄氏度时，这个夹持器就会把工程师放在它下面的任何东西都合上。

方舟子说:“手环是一个很好的例子，说明了如何用软材料进行操作。”“我们证明了它可以捡起一个小螺栓，甚至鱼蛋和软豆腐。这种柔软的抓地力可能是非常独特和有益的。”

展望未来，他希望找到聚合物的组合来制造形状记忆材料，这种材料可以在略低的温度下发生反应，接近人体温度的范围，从而设计出柔软、活性、可控的给药胶囊。他说，这种材料也可以被打印成柔软、灵敏的铰链，以帮助太阳能电池板跟踪太阳。

“通常情况下，过多的热量会积聚在太阳能电池的背面，所以你可以使用形状记忆材料作为驱动机制来调整太阳能电池的倾斜角度，”方说。“所以我们认为可能会有更多的应用可以展示。”

麻省理工学院

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程数控和运动控制的故事．

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