供稿人:李宏偉 李滌塵 發(fā)布日期：2018-11-30
4D打印是打印物能變形的3D打印，在之前的很多報道中4D打印都應(yīng)用“折紙效應(yīng)”的原理，例如、一個3D打印的平面網(wǎng)格逐步展開形成一個郁金香花朵造型的三維物體。因此，科研人員設(shè)想如果按比例進(jìn)行增加，這種方法甚至可以為自制造平面家具以及易裝配醫(yī)用植入物的設(shè)計開發(fā)提供新思路。這種自折疊及變形能力為研究人員開辟新研究領(lǐng)域提供了可能，尤其是在醫(yī)療醫(yī)藥領(lǐng)域，可以解決傳統(tǒng)植入較大植入物需切口創(chuàng)傷大的問題，而且手術(shù)創(chuàng)傷侵害較小，甚至可以通過自折疊和變形直接治療病患，從而取代以往依靠血液循環(huán)進(jìn)行藥物治療的傳統(tǒng)方法。
新澤西州立羅格斯大學(xué)新布朗斯維克校區(qū)的研究人員Daehoon Han等發(fā)明了一種新的4D打印方法，讓《愛麗絲夢游仙境》中的場景在現(xiàn)實(shí)中成為了可能。應(yīng)用SLA工藝，羅格斯大學(xué)的4D打印方法可以根據(jù)需求進(jìn)行收縮和膨脹。
羅格斯大學(xué)研究展示的收縮象棋原材料是水凝膠，雖然含水量達(dá)到了73%但是材料依然以三維固體形態(tài)呈現(xiàn)。當(dāng)水凝膠浴在水中之后變形就隨之發(fā)生，當(dāng)溫度逐漸升高到50攝氏度時，象棋就隨之脫水并且收縮。反之，當(dāng)溫度降低到11℃的時候，國際象棋重新恢復(fù)到了原樣。該研究團(tuán)隊(duì)同樣展示了如何將這以收縮和變形規(guī)則應(yīng)用到具體的產(chǎn)品上面。例如、爪形器具的彈簧機(jī)械手可以收縮兵器關(guān)閉，但是整個器具機(jī)身并未發(fā)生任何變化。
圖：4D打印出來的模型部件可以變形而不是整體變成了另外一種形狀。
圖片來自Scientific Reports
羅格斯大學(xué)在這項(xiàng)研究當(dāng)中使用的3D打印機(jī)（也稱為PμSL系統(tǒng)）由團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)定做而成。主要部件包含UV光照射每層硅樹脂以形成液體結(jié)晶的數(shù)字遮罩、投射透鏡、LED UV燈、直線模組以及控制UV線束寬度的校準(zhǔn)設(shè)備。在打印的第一階段、先需要在CAD軟件當(dāng)中生成三維模型并切片生成位圖圖像，確保每一個數(shù)字圖像可以轉(zhuǎn)變成數(shù)字紫外線光學(xué)樣式遮罩，之后投射到事先準(zhǔn)備好的光固化PNIPAAm樹脂上。通過光固化，紫外線光將液態(tài)樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)層，每次一層成型于直線模組之上。每成型一層、做件臺下降一層，直至整體制作成型完成。
圖：PμSL打印工藝過程以及3D打印水凝膠的固化和收縮準(zhǔn)備工作。
來自羅格斯大學(xué)工程學(xué)院的研究人員Lee認(rèn)為“這一智能水凝膠的終極潛力現(xiàn)在還沒有完全被釋放出來，我們還需要給變形添加另外的維度，這是在這領(lǐng)域里面第一次有人這么做”。團(tuán)隊(duì)正致力于在50 μm-7 mm尺寸區(qū)間的微尺度水凝膠產(chǎn)品制造研究。寄希望用此來開發(fā)新的醫(yī)療設(shè)備，例如細(xì)胞支架，以此來支持組織生長，或者對患者的用藥治療在釋放階段進(jìn)行精準(zhǔn)控制而不是之前的持續(xù)施加。 “如果你對形狀能進(jìn)行持續(xù)控制，那么你就能對它的功能進(jìn)行計劃控制，這是3D打印‘形狀-變換’材料的能力，你可以將這一變形規(guī)則應(yīng)用在任何地方”-團(tuán)隊(duì)開發(fā)者說。