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。