哈佛開發(fā)出新型水凝膠4D打印結構 — 遇水即可自動變形

4D打印是一種革命性的新技術。這一概念準確的說是一種自變形材料，只要受到某些因素的刺激（比如光、熱、電、磁和振動），就能在無需機電設備的情況下自動變形為預設的形狀。由于具有極大的應用前景，這種技術正在以絲毫不遜于3D打印的高速度迅猛發(fā)展著。最近，在這方面處于全球領先地位的哈佛大學保爾森工程與應用科學學院（SEAS）就與威斯生物工程研究所聯合開發(fā)出了一種新型的微觀4D打印結構。

這種新型4D結構是研究者通過3D打印技術使用一種“水凝膠墨水”制成的。該墨水是從一種含有木纖維的特殊水凝膠復合材料中提煉萃取的。由于使用了專門的材料預測模型，該結構會在遇水后逐漸膨脹、變硬，直至完全變形為預編程的形狀。

毫無疑問，這種在外部刺激下就能自動變形為預設形態(tài)的能力在智能織物、柔性電子產品、生物醫(yī)療用品和組織工程等方面都有重大的應用價值。

為了進一步驗證這種新結構，研究者們以同樣的方法制作了兩朵“4D蘭花”。通過下面的視頻，你可以了解整個的3D打印過程以及變形效果：

兩朵4D蘭花的3D打印過程與我們熟知的常規(guī)3D打印很相似，都是由打印頭將材料擠出，再層層疊加，直至完成整個對象。“我們的數學模型精確規(guī)劃出了實現預設形狀所需的打印路徑，解決了對結構編程會遇到的最大挑戰(zhàn) — 倒轉問題，”參與項目開發(fā)的博士后Elisabetta Matsumoto表示，“使用完全可調與可編程的方法，我們能夠同時控制離散性和連續(xù)性�！�

另外，決定材料會對刺激做出怎樣反應的數學模型還可用于其它材料。也就是說可以通過交換不同的材料來協調不同的屬性，比如導電性和生物相容性。

“能以源于自然的工程結構設計并實現出這些4D結構非常棒，”已經研究過植物卷須盤繞，花朵綻放和松果開合等自然現象的Mahadevan表示，“現在，我們能夠采用逆向工程來解決多種問題，比如局部不均勻性，打印絲的間距，這些細絲的各向異性（也就是方向）等�！�

“這項借助多個學科力量完成的工作展現了可編程材料組裝方面的極大進步，”參與開發(fā)的高級研究員Jennifer A. Lewis表示，“我們正在超越單純的變形與功能，希望進一步創(chuàng)建出可變形的建筑�！�

目前，這一具有重大應用價值的先進項目已經得到了美國陸軍研究辦公室（ARO）和國家科學基金會材料科學與工程研究中心（MRSEC）的支持。

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