自活動材料商業化觸手可及，ETH通過市售的Stratasys實現單一材料的4D列印

瑞士ETH蘇黎世聯邦理工學院在3D列印複合材料、4D甚至是5D列印方面積累了豐富的經驗。就在2015年，蘇黎世聯邦理工學院還利用多材料磁力輔助3D列印系統（MM-3D printing）實現了5D列印，開發出多功能的變形軟裝置，這種裝置可以用於創建類似人體肌腱或者肌肉的機械連接系統，或者用於製造軟機器人的選擇性拾取-放置系統。

近日，ETH宣布通過市售的3D列印設備，他們開發了4D材料，這種無需機械動力的自運動材料，在航空航天、國防、醫療等多種應用領域有著特殊的應用前景。

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4D列印解決方案

當前，大多數有關自運動材料的3D列印研究基本上使用刺激響應形變塑料。 這些塑料可分為兩個亞類：可編程形狀記憶塑料（programmable Shape Memory Polymers - SMPs）和人造水凝膠。 這兩種塑料形狀變化的機理差異很大。

SMPs這種材料當被冷卻到激活溫度以下（也稱為編程溫度）的時候，SMPs材料將發生變形，而遇到加熱時，SMPs材料的活性被激發並恢復至原始形狀。

人造水凝膠通過溶脹過程而與其環境中的流體發生反應。 只要施加刺激，水凝膠就會發生形狀的連續變化。 在乾燥環境中，隨著吸收的流體被蒸發，人造水凝膠就慢慢恢復永久形狀。

SMPs的變形過程比較突變化，但形狀是記憶可控的；人造水凝膠的變形過程比較連續，只要有外界的刺激存在，人造水凝膠的形狀就在持續的改變中。

如何研發出一種材料兼具SMPs和人造水凝膠的特點，不僅形狀變化連續且嚴格可控，而且形狀具有記憶性，這成為4D列印的一大挑戰。

ETH的研究人員先是表徵3D列印塑料材料的熱力學性質。 然後使用實驗數據構建線性粘彈性本構模型。 結合這個本構模型的模擬通過三點彎曲試驗來進行驗證。 接下來，研究人員設計不同的模型來模擬、製作和測試活性材料的各種形狀轉換。

為了實現變形過程的精準控制，超材料的形狀記憶周期是通過有限元模擬進行建模的。利用模擬的力位移數據，科學家們擬合了梁單元的人造剛度，使其具有相同的力學行為。 此外，簡化光束建模方法允許以較低的計算成本來模擬大型複雜結構。

研究結果發表在「Large Shape Transforming 4D Auxetic Structures」論文中。這種通過市售的3D列印設備以及市售的3D列印材料所實現的4D列印，其面積可以自延展到到百分之二百的程度。引導這些複雜幾何運動的關鍵在於熱激活，通過時間的變化「通知」第四個維度 - 什麼時候以及如何發生形狀變化。

ETH的研究人員專註於設計的編程方面，並強調通過簡化的程序來實現複雜的設計。在研究人員看來，4D列印在配置變更無法手動實現以及機電驅動不可行的情況下（例如在航空航天和醫療領域）具有很大的潛力。

在3D列印方面，為了展示輕鬆的可操作性，研究人員所獲取的4D超材料實際上是由一種單一的材料製成的，科學家們使用的設備是Stratasys Objet500 Connex3 3D印表機。該團隊指出，這種通過對市售材料和設備的創新使用，也擴大了在各種應用中引入4D材料的潛力。

參考資料：Large Shape Transforming 4D Auxetic Structures

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