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仿生4D打印技术

仿生4D打印技术

供稿人:常金科 贺健康   发布日期:2017-06-28
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形变系统(Shape-morphing systems) 在智能面料、自主机器人、生物医学装置、药物检测、组织工程等领域得到广泛关注。在自然界,植物应激运动就是这种系统的很好例子。例如一些卷须、苞叶、叶子和花朵受到湿度、光照和接触刺激时,会发生形态改变的应激反应。这些应激产生的形态变化,在微观上是由于细胞壁中纤维素微纤束阵列的各向异性而导致的局部细胞内部膨胀行为不同。受到这种自然植物的启发,研究人员基于新兴的4D打印技术开发出了仿生4D打印(Biomimetic 4D printing)。

图1. 植物仿生建模
图1. 植物仿生建模
图1. 植物仿生建模

目前,研究人员普遍关注于构建植物应激结构和形状记忆结构,开发了一些仿生4D打印新技术,如复合双分子膜和形状记忆铰链等。但在仿生4D打印领域仍存在着单一材料4D结构成型,和4D结构形状的正反向设计方面存在着诸多难题。

图2.4D打印过程-纤维素微纤束定向性和产生可预知角度形变

哈佛大学Lewis团队开发了一种仿生学结构,具有可编程的动力学结构。打印了水凝胶复合材料的结构,通过对其中纤维素微纤束阵列的精确4D打印路径编码计算,控制局部结构各向异性的膨胀行为。并通过一种最小结构推算的方法,该团队克服了对预定目标形状的反向设计难题,实现了可编程制造植物应激结构。这种编程结构可以在水中产生预知形变,并具有复杂的三维形态。该研究被发表在《NATURE MATERIALS》 杂志上[1]。

图3.仿生4D打印的复杂形状花朵

参考文献:

  1. Gladman AS, Matsumoto EA, Nuzzo RG, Mahadevan L, Lewis JA. Biomimetic 4D printing[J].Nature materials.2016,15(4):413-+.