吉林大學任露泉院士團隊AFM：4D打印仿生種子彈射器

來源： 高分子科學前沿

4D打印是利用刺激響應性材料和3D打印技術來制造在濕度、光、熱、電場或磁場等刺激下可以改變形狀或特性的三維物體，對環(huán)境具有適應性和動態(tài)響應性，在航空航天、生物醫(yī)學和軟體機器人等領域具有廣闊的應用前景。目前，形狀記憶聚合物（SMPs）、水凝膠和液晶彈性體（LCEs）是4D打印的主要聚合物材料。SMPs和LCEs的反應機制是聚合物鏈或液晶網格對外部刺激（通常是溫度）的重新排列；對于水凝膠，其反應機制是膨脹和解吸。這些材料被打印成具有特定位置組成的異質結構，在適當的刺激下產生可編程的變化。響應速度由SMPs/LCEs的導熱性或水凝膠的滲透性決定，這導致4D打印物體不能產生快速運動和快速形狀變化，也不能應用于需要快速形狀轉換的領域，如快速解鎖和部署航空航天設備。因此，具有快速轉換能力和高輸出能量的4D打印形狀變形結構仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，也是實際應用中非常需要的。

近日，吉林大學任露泉院士、韓志武教授、劉萍萍教授和英國曼徹斯特大學任雷教授根據紫羅蘭果實種子射出過程中梯度扇形細胞的結構變化特征，通過3D打印技術對具有不同存儲模量的異質材料的空間分布進行編程，并加工出一種仿生智能彈射器，可通過力、溫度、光、濕度或電的刺激實現高速彈射，觸發(fā)時間為毫秒級，最快彈射速度可達到3.6米/秒。這種仿生的4D打印策略突破了傳統(tǒng)4D打印物體運動速度的限制，有助于釋放4D打印的全部潛力。這項工作以“Biomimetic 4D Printing Catapult: From Biological Prototype to Practical Implementation”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

研究人員首先觀察了紫羅蘭種莢在種子排出前后的形態(tài)變化，發(fā)現新鮮瓣片的內部結構相對松散，含水量高，而瓣片的外部結構相對緊湊，含水量低。依靠快速失水收縮變形，中間的黃色區(qū)域是主要的驅動單元（圖1）。研究人員還研究了種子的彈射過程，發(fā)現在整個彈射過程中，豆莢經歷了一個種子數量從多排到單排，再到單粒的漸進過程（圖2）。

圖1. 紫羅蘭種莢的形態(tài)

圖2. 種子彈射過程

為了驗證種子彈射的原理，研究人員提取了種莢的橫截面并建立了模型，分析發(fā)現，紫羅蘭種子的彈射原理是基于不同區(qū)域的水分流失和細胞收縮的程度不同，從而產生應力（圖3a-f）。受種子彈射原理的啟發(fā)，研究人員設計了4D打印模型，并利用多材料打印技術打印了仿生種莢和彈射樣品，其中彈射是基于不同打印材料在加熱時的不同玻璃轉化溫度。種莢由兩部分組成，包括不同的材料，而彈射樣品是由單一材料打印而成。然后在響應材料的玻璃轉化溫度以上對種莢樣品進行塑形，隨后冷卻以達到固體形狀。通過打印一個標準支架，仿生彈射器被加熱并固定在支架上進行冷卻，冷卻后模型被固定，彈性勢能被儲存在其中。然后通過提高環(huán)境溫度刺激組裝好的樣品，使其達到玻璃化溫度，此時材料的模量迅速下降并恢復到成型前的原始形狀，儲存的彈性勢能迅速釋放并轉移到彈射器上，隨后轉化為彈射的動能（圖3g-h）。

圖3. 4D打印彈射器的仿生設計

4D打印樣品可以在多種刺激下進行彈射。如圖4a所示，使用了外部應力觸發(fā)器，用手簡單地擠壓夾持端，當擠壓力超過射出物和樣品之間的摩擦力時，彈丸被彈出。在圖4b中，使用了加熱觸發(fā)器，將組件浸入60℃的水浴中，彈丸被彈出。在圖4c中，使用紅外光照射樣品并提高其溫度，也可以觸發(fā)彈射。因為空氣被用作加熱和彈射介質，所以彈射的速度要比在水中快得多。在圖4d中，使用了電觸發(fā)，中間的光束由導電材料制成，與兩種材料打印成一體。通電后，橫梁產生熱量并作為觸發(fā)器。其原理與之前的觸發(fā)器相同，即模量的快速下降。由于電熱效率高，彈射反應時間比紅外加熱的情況要短得多，彈射速度也很合理。圖4e顯示了三個彈丸的順序觸發(fā)過程，其觸發(fā)原理與圖4d中的單個彈丸相同。研究人員還分析了仿生4D打印彈射器在各種刺激下的運動情況，研究了電觸發(fā)、紅外加熱觸發(fā)和水浴加熱觸發(fā)三種觸發(fā)模式下彈丸的反應時間和彈射速度（圖5）。

圖4. 4D打印彈射器的多刺激響應

圖5. 4D打印彈射器在各種刺激下的運動

研究人員拍攝了高速攝像圖像，發(fā)現由水浴觸發(fā)的瞬時射出速度為≈1.7 m/s，加速度為25g；由紅外加熱觸發(fā)的瞬時射出速度為≈3 m/s，加速度為39g；由電觸發(fā)的最大彈射速度為≈2 m/s，射出加速度為≈20g。單次觸發(fā)和多次觸發(fā)之間沒有明顯差異（圖6a-d）。研究人員打印了一個衛(wèi)星模型，該衛(wèi)星配備了不同的彈射功能，即一個微型衛(wèi)星模塊、一個捕網模塊和一個子彈模塊（圖6e-g）。用熱風槍對要發(fā)射的模塊進行加熱，幾秒鐘后，各模塊被發(fā)射出去，互不干擾，說明了4D打印彈射器在航空航天領域的應用前景。

圖6. 彈射器觸發(fā)實驗及應用前景

結論：研究人員通過高速攝影和豆莢的微型CT切片研究了紫羅蘭種子的順序噴射機制�；�于這一機制，使用多材料打印機加工了一系列仿生4D打印彈射器，可以在不同的刺激下觸發(fā)，觸發(fā)時間為毫秒級。這種仿生方案提供了短的觸發(fā)時間和快的觸發(fā)速度，克服了4D打印樣品的低驅動應力和慢驅動速度的缺點。仿生的4D打印彈射器樣品還可以由特殊的工程聚合物或金屬形成，在空間衛(wèi)星發(fā)射和空間站垃圾清理方面具有很好的應用前景。