用PPT和LED投影燈摺紙

喬治亞理工學院和北京大學的研究者發現了一種常見幻燈片的高大上的使用方法：根據光固化液體聚合物製造自摺疊的三維摺紙結構。該研究已發表在4月28日的科學進展雜誌上。

通過自摺疊過程得到的小型摺紙結構與硬幣的對比。Credit: 煎蛋大觸畫師六翼，比原圖更好看系列

這一技術將明暗形狀的灰度圖投影到盤子上或者兩塊載玻片中間的液體丙烯酸鹽聚合物薄層上。混入聚合物中的光引發劑材料受到尋常的LED投影燈的照射，啟動交聯反應，形成固態薄膜。聚合物浸染的光吸收劑起到光線調控作用。由於光固化過程中聚合物網路演變和體積收縮之間的複雜反應，聚合物中接受光線較少的區域更容易彎曲。

當新創建的聚合物薄膜從液體聚合物中移出時，薄膜中由於差異收縮引起的內蘊壓力導致薄膜開始摺疊。為了得到最複雜的摺紙結構，研究者對結構的兩面均進行光照射。目前產生的摺紙結構包括小桌子，膠囊，花，鳥以及高麗三浦折(miura-ori fold)，尺寸均為1.25厘米左右.

這種摺紙結構可用於柔性機器人，微電子學，柔性執行器，機械超材料以及生物醫學設備中。

八面體。Credit: Mr. Zeang Zhao

喬治亞理工學院伍德拉夫機械工程學院的Jerry Qi教授說道：「我們方法的基本思想是利用光致聚合作用中的體積收縮現象。在特定類型的光聚合——前線光聚合中，接受光照一側的液態樹脂固化作用不斷向靠內部一側蔓延，從而創建了一個非均勻壓力場，驅動薄膜沿著光路方向彎曲。」

該工作被認為是首個在圖案化光聚合作用過程中，控制體積收縮創建自摺疊摺紙結構的應用。

Credit: 煎蛋大觸畫師六翼，比原圖更好看系列

事實上，產生體積收縮現象的過程在聚合物的其他應用中是被認為有害的。

論文共同作者、北大教授方岱寧說道：「聚合物的體積收縮在複合材料製造和傳統3D列印技術中，總被認為是有害的。我們的工作顯示從另一個角度看待，這一現象也能變的很有用。」方岱寧教授現在為北京理工大學副校長。

為了製造能在各個方向彎折的最複雜的形狀，研究者將圖案化的薄膜進行翻轉，在另一面進行交聯反應。

credit: 煎蛋第六位畫師Chon

喬治亞理工學院和北京大學的博士生Zeang Zhao(可能是交流生吧)說道：「我們提出了兩種製造方法。第一種，直接將光學圖案照射到一層液態樹脂上，然後就得到摺紙結構。第二種，將其翻轉，再照射第二種圖案。第二種的設計自由度更大。」

光照射薄膜的時間約為五到十秒，產生200微米厚的薄膜。Qi說道：「接受光照的區域變為固體，圖案的其他部分仍為液體，然後就可從液態樹脂中拿出來了。是不是十分簡單。」

前線光聚合過程中聚合物薄膜從一側不斷向另一側固化。由於光衰減很快，固化層始於光照表面，並向液體一側蔓延。通過控制光照時間和光照強度，可以精確調控這一過程，這一方法已被用於製造微流體設備和微粒合成。

在該工作中，研究者使用了雙丙烯酸聚乙醇酯，不過這一技術也適用於多種光固聚合物。研究中還使用了橙色的染料，不過其他顏色的染料也可以使用，產生不同顏色的結構。

雙面法。Credit: Mr. Zeang Zhao

為了驗證以上概念，Zhao手動創建了ppt圖案。要進行規模化反應，可以將系統與CAD工具相連接，產生更多精確的灰度圖案。

Qi認為這一技術用於產生最大2.5cm尺寸的結構，「自摺疊要求相對較薄的膜片，因此可能無法實現更大的結構。我們提出了一種簡單的方法，可以將聚合物薄片摺疊為複雜的三維摺紙結構。該技術不局限於特定的材料，並且圖案簡單，任何人只要有ppt和投影燈就能實現。」

論文原文：DOI:10.1126/sciadv.1602326

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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