MIT發明可自動展開的3D列印結構，未來將可用於複雜機器人的製造

以麻省理工學院計算機科學和人工智慧實驗室專家為首的研究團隊，近日在美國化學協會期刊《應用材料和界面》發表文章，宣稱他們發明了一種 3D 列印結構：只要列印出來的薄層被從基板材料上剝離，薄層就會自己展開。

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該列印方法的優點，一方面在於列印薄層啟動其展開過程無需任何外力，另一方面在於，其適用於不止一種 3D 列印耗材，並可被用於列印多種精細結構。

參與研究的 MIT 電子工程和計算機科學研究生、文章第一作者 Subramanian Sundaram 表示：假如需要用 3D 列印製造可自行展開的電子器件，那麼你需要選用一些有機材料——因為電路板是用有機材料製造的。然而，有機材料對濕度和溫度很敏感，因此你不能用泡水或加熱的方法來讓電路板展開，否則它會損壞。

除了 Sundaram，論文其他作者包括MIT電子工程和計算機科學副教授 Wojciech Matusik 和 Marc Baldo；Matusik 領導的柔性計算團隊的技術助理 David Kim，馬薩諸塞大學高分子科學和工程教授 Ryan Hayward。

為了展示這種方法，研究人員製造了一個可自行展開的 3D 列印電子器件，其在通電時能從透明變成不透明。這個器件基於同一研究團隊在今年年初發布的原型。該原型在展開之前呈「H」型二維平面，但在「H」的四條腿摺疊之後，就會形成一個在三維空間中的「桌子」。

研究人員目前已經可以控制「桌腿」的展開角度。在實驗中，他們設定「桌腿」的展開角度，然後強行把「桌腿」掰開到更大的角度。然而，當外力移除後，「桌腿」又恢復了原來的展開角度。

在未來一段時間之內，該技術將有助於生產具有複雜三維構型的感測器、顯示屏和天線。在遠期，該技術也許能製造出可列印的機器人。

3D 列印是一種分層列印技術。MIT 研究人員，將新型材料精確地布置在待展開器件的頂部或者底部幾層。底層的新材料和基底材料之間有一定的粘合力，這能保證整個待展開器件在列印過程中的平整。然而，當待展開器件從基底材料上剝離之後，頂層的新型材料就會開始展開。

像人類歷史上很多偉大發明一樣，研究團隊也是在一個偶然的機會才發現的這種新型材料。大多數被研究的材料都是高分子材料——單分子組成複雜的長鏈結構。用不同種類的單分子製成高分子材料，可以獲得不同的物理特性。

在試圖發明一種可用來列印更具延展性的器件的材料的時候，研究人員無意中發現，某種配方對應的材料列印出來的器件，居然會隨著時間的推移慢慢伸展。研究人員迅速意識到這種材料的潛力，並開始改進這種材料，直到這種材料列印出來的「H」型 4 腿摺疊桌能順利展開。

Hayward 解釋了材料的展開奧秘。該 3D 列印耗材中有幾種長分子鏈和一種短得多的分子鏈，其單分子均為丙烯酸異辛酯。當用該耗材列印出來的薄層暴露於紫外線中固化後，長鏈之間會鏈接起來，形成錯綜複雜的結構。

當第 2 層耗材被置於第 1 層之上後，第 2 層中的短鏈會滲入已經被固化的第 1 層。在那裡，短鏈和長鏈形成了一種張力，為日後展開提供了條件。

研究人員希望，對材料機制的深入理解能有助於其他應用領域。比如，目前很多高分子耗材，其列印出來的器件在固化之後，會有 1%-3% 的縮小。也許內在張力材料能有助於解決這個問題。

北卡羅萊納州立大學化學工程教授 Michael Dickey 表示，該材料為通過 3D 列印製造實用的電子器件提供了一種思路。通常，電路板都是二維平面。而不久的將來，則有可能利用可伸展 3D 列印材料製造處性能同樣可靠的三維電子器件。

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