南方科技大學推出可重構4D打印技術，開發(fā)共價自適應網絡形狀記憶聚合物

2025年1月22日，南極熊獲悉，來自南方科技大學的研究人員推出了一種可重構 4D 打印技術，大大簡化了制造變形結構的方法。新技術通過為3D打印形狀記憶聚合物（SMP）結構賦予可重構性和可焊接性，為4D打印技術增加了價值。

相關成果以題為“Reconfigurable 4D printing viamechanically robust covalent adaptable network shape memory polymer/通過機械穩(wěn)健協同自適應網絡形狀記憶聚合物實現可重構4D打印”已發(fā)表在《科學進展》上。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl4387

SMP材料因其相對較高的模量而被廣泛應用于4D打印。大多數用于4D打印的SMP都是熱固性材料——這意味著，一旦確定了化學結構，它們就只能“記住”一個永久的形狀。

近年來的一些研究將共價自適應網絡（CAN）引入SMP，以實現多種可重構永久形狀，但現有的動態(tài)共價SMP無法兼顧形狀記憶性能、變形重構能力以及高精度打印性能。

針對上述問題，南方科技大學機械與能源工程系葛奇教授團隊在可重構4D打印技術方面取得重要進展，開發(fā)出一種具有高力學性能的共價自適應網絡形狀記憶聚合物（MRC-SMP），可用于數字光處理（DLP）高分辨率3D打印，實現可重構、大變形、高精度的4D打印。

△圖1. MRC-SMP 的可重構、大變形和高分辨率 4D 打印。（a）DLP 3D 打印機打印的高分辨率MRC-SMP 晶格結構的大變形形狀記憶行為。（b）重構的弧形MRC-SMP 晶格結構的形狀記憶行為。（c）通過將三個 3D打印和重構的 MRC-SMP 晶格結構焊接到打印的圓形連接器上制造的形狀記憶夾持器。

利用DLP打印機打印MRC-SMP晶格結構，展現出大變形形狀記憶行為（圖1a）。如圖1b所示，酯交換反應引起的晶格結構永久形狀重構，以及形狀配置的MRC-SMP，仍然具備大變形性能和形狀記憶性能。此外，共價自適應網絡還賦予MRC-SMP高強度的焊接能力。三個高精度打印的MRC-SMP晶格結構和一個MRC-SMP連接器通過焊接和形狀重構形成抓取式夾持器（圖1c）。MRC-SMP夾持器可先編程為展開狀態(tài)，然后通過形狀記憶恢復到抓取狀態(tài)，以舉起重物。

MRC-SMP 可重構性能與多材料打印相結合，可以制造任意形狀的三維形狀記憶折紙結構——大大減少了制造復雜 SMP 折紙結構所需的時間。如圖 2a 所示，多材料折紙由 MRC-SMP 作為可變形鉸鏈，耐高溫高強度光固化樹脂作為剛性板表面制成。

△南方科技大學研究人員推進可重構4D打印——開發(fā)共價自適應網絡形狀記憶聚合物（MRC-SMP）。

圖 2. 多材料可重構形狀記憶折紙。 (ab) 可重構形狀記憶折紙的多種形狀重構和形狀記憶行為。 (d) 重構的折紙形狀 2 承載重物的快照。 (e) 在室溫下對不同折紙形狀進行壓縮測試。

MRC-SMP 的顯著變形能力使一張打印折紙能夠快速重新配置成多個 SMP 折紙（圖 2a-c）。MRC-SMP的高玻璃化轉變溫度確保 3D 折紙結構在室溫下具有高剛度，并能支撐重載（圖 2d-e）。

南方科技大學機械與能源工程系研究助理教授李洪庚為該論文的第一作者，葛奇教授為通訊作者，南方科技大學為第一附屬單位。

這項研究得到國家自然科學基金、廣東省珠江人才計劃、廣東省自然科學基金和深圳市科技創(chuàng)新委員會的資助。