4D打印新突破——微粒體光刻打印微米級快速“變形”結(jié)構(gòu)

麻省理工學(xué)院和新加坡科技設(shè)計大學(xué)(SUTD)的工程師們用光打印出能夠“記憶”原來形狀的三維結(jié)構(gòu)。該三維結(jié)構(gòu)，無論是做成花狀還是一英尺高的埃菲爾鐵塔形狀，即使被拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎折成極端角度，都可以通過加熱至“最佳溫度”而在幾秒鐘內(nèi)恢復(fù)原來的形狀。目前，該研究已經(jīng)可以打印出最小到人類頭發(fā)尺寸的微結(jié)構(gòu)，這個尺度是此前可打印形狀記憶材料尺寸的十分之一。研究成果日前發(fā)表在期刊《科學(xué)報告》上。

　　3D打印形狀記憶材料也被稱作4D打印，即3D打印的結(jié)構(gòu)可以隨著第四維度——時間而發(fā)生變化。

　　為了獲得形狀記憶結(jié)構(gòu)，一些研究者使用3D打印技術(shù)，以獲得可定制的相對精細的結(jié)構(gòu)。然而，使用常規(guī)的3D打印只能設(shè)計出不小于幾毫米的結(jié)構(gòu)。這種尺寸也限制了材料快速恢復(fù)原來形狀的能力。如果能夠構(gòu)造更小尺寸的形狀記憶結(jié)構(gòu)，會具備在幾秒鐘內(nèi)快速響應(yīng)的能力。例如，花朵可在毫秒內(nèi)釋放花粉，因其釋放機制是在微米尺度下。

　　為打印出具有更精細細節(jié)的微結(jié)構(gòu)，研究人員開創(chuàng)了微立體光刻3D打印方法，使用來自投影儀的光打印出疊層的樹脂圖案。研究人員首先創(chuàng)建一個CAD結(jié)構(gòu)模型，然后將模型劃分成數(shù)百片，每一片傳送至投影儀并形成一張位圖圖像，投影儀透過位圖照射液態(tài)樹脂或聚合物溶液，將圖像刻蝕到樹脂上，再進行固化。這樣通過一層層地打印，最終形成三維結(jié)構(gòu)。

　　形狀記憶高分子材料可以在兩種狀態(tài)下切換，即較低的溫度下硬的玻璃態(tài)，以及較高溫度下軟的橡膠態(tài)。材料的彎曲和拉伸形狀可以在室溫下“凍結(jié)”，當材料被加熱時會“記憶”并彈回原來的形狀。溫度響應(yīng)的形狀記憶高分子材料具有非常廣泛的應(yīng)用前景，如控制太陽能電池板方向的柔性執(zhí)行機構(gòu)，以及可以在感染初期自動打開的微型藥物膠囊。

　　　這項研究不僅將4D打印用于微米尺度，而且可以打印出比其他商業(yè)3D打印拉伸長度高10倍的形狀記憶高分子材料。這將4D打印提升至一個更廣闊的可實用的層次，如用于生物醫(yī)藥裝置、可展開的航空結(jié)構(gòu)，以及可變形的光伏太陽能電池。