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仿生4D打印

仿生4D打印

供稿人:赵廷泽 连芩 供稿单位:机械制造系统工程国家重点实验室  发布日期:2019-03-07

变形系统在许多领域都有应用,包括智能纺织品、自主机器人、生物医学设备、药物输送和组织工程。日前,哈佛大学A. Sydney Gladman等人受到植物系统的启发,打印了复合水凝胶结构,由于水凝胶中添加的纤维素纤维在打印后按照打印规定的路径排列,导致复合水凝胶溶胀性能产生各向异性,打印结束后将打印结构浸泡在去离子水中,可以观察到打印结构随时间推移而变形。图1为该方法的原理图。

图1 通过仿生4D打印实现局部各向异性的编程

在打印过程中,当墨水流经喷嘴时,这些墨水中的纤维素纤维由于发生剪切而引起排列,从而导致打印的微丝具有各向异性的刚度,因此,横向与纵向(沿着微丝长度方向)相比有着不同的溶胀行为。

图2为仿生4D制造的“花朵”,且“花朵”随着浸泡在去离子水中的时间推移,其结构形状也发生了变化。

图2 仿生4D打印制造的复杂花朵形态。以每片花瓣的长轴为方向,填 充方向(a)为0°/90°和填充方向为(b)-45°/45°的双层花朵,随 着时间推移,花朵的一系列的溶胀过程。(比例尺5mm)

作者团队的4D打印方法依赖于在时间和空间上对于材料和几何形状的结合,可以通过控制打印参数,如微丝直径、长度、方向以及微丝之间的间距,创建具有可控各向异性的双层结构,使之在去离子水中可变形成目标形状。

参考文献:

  1. 1.Gladman, A. S., et al. (2016). "Biomimetic 4D printing." Nat Mater 15(4): 413-418.