近日，蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zürich）的複雜材料研究人員開發出了一種3D打印方法來開發設計具有精美微結構特征的複合材料。在此之前，這種結構特征隻在自然生長的生物材料中見到過。利用這種“多材料磁力輔助3D打印係統（MM-3D printing），研究團隊已經有效地超越了3D成型能力，甚至進入了一種5D設計空間。據稱這一技術最終可以開發出多功能的變形軟裝置，這種裝置可以用於(yu) 創建類似人體(ti) 肌腱或者肌肉的機械連接係統，或者製造軟機器人的選擇性拾取-放置係統等。

研究人員認為(wei) ，將多種材料融合在一個(ge) 3D打印對象中就為(wei) 創建動態可編程的對象創造了可能性——這種可能性我們(men) 已經看到了，比如使用加載了陰極和陽極材料的油墨實現微型鋰離子電池的直接布線；或者將細胞與(yu) 生物相容性水凝膠結合起來探討組織再生的可能性等等。這些3D打印的設計往往類似於(yu) 自然界中活細胞生長生物材料的方法，但是直到現在，人類設計的結果也沒有達到與(yu) 之相同的複雜水平。“與(yu) 常規的3D打印技術相比，活細胞所具備的獨立局部成份和紋理控製水平至少多出了兩(liang) 個(ge) 自由度（或者維度）。”他們(men) 解釋說。

而受到自然界中複雜多樣的構建方式的啟發——比如植物能夠根據環境因素的影響改變自己的形狀——研究者們(men) 設計了“一種可以在5D設計空間編程並製造合成微結構的增材製造方法。”所謂的5D設計空間，指的是除了增材製造的3D成型能力之外，還包括了合成物的本地控製（1D）和顆粒方向（另外1D）。

MM-3D打印平台原理圖。

用3DDiscovery公司的regenHU改裝成的MM-3D打印平台

我們(men) 已經接觸到了一些4D打印的技術，比如那些使用3D打印的形狀記憶高分子材料創建的複雜的自我折疊結構等。而為(wei) 了實現“5D可編程性”，瑞士研究人員使用了一種將具有磁響應屬性的顆粒懸浮在液態光敏樹脂中製成的墨水。隨後他們(men) 改裝了一台商業(ye) 3D打印機——3DDiscovery公司的regenHU，並用它來沉積墨水。

改裝後的3D打印機配備了四個(ge) 可獨立尋址定位的注射器，每個(ge) 注射器裏可盛放不同配方的墨水。這台3D打印機上還安裝了一個(ge) 由兩(liang) 個(ge) 部件組成的混合/分配單元，並由該單元來控油墨組成的變化。至於(yu) 墨水，研究人員使用了兩(liang) 種具有不同流變特性的墨水：具有粘彈性的“成型”墨水，用於(yu) 生成外框；低粘度的“紋理”墨水，用於(yu) 輪廓內(nei) 的打印。

帶內(nei) 部螺旋樓梯的MM-3D打印對象。“成型”墨水被指示為(wei) 灰色，而“紋理”墨水被指示為(wei) 米色。周邊的黑色圖案則代表了光刻掩模

為(wei) 了展示自己開發的MM-3D打印平台所具備的定向、複合和形狀控製能力，研究人員打印出了一個(ge) 具有複雜形狀以及與(yu) 自然界完全不同的非均質精細微結構的3D對象（見上圖）。他們(men) 將這個(ge) 對象成為(wei) “螺旋”，該對象的外部呈現了各種不同的凸起和凹陷的曲麵，而其內(nei) 部則將眾(zhong) 多小片匯集成螺旋樓梯的形式，從(cong) 底部一直延伸到頂部。整個(ge) 對象的大小僅(jin) 為(wei) 18毫米，其圓形底座直徑為(wei) 16毫米，頂部直徑為(wei) 10毫米，總共由60個(ge) 圓形層組成。科學家們(men) 稱，這種極端複雜的小尺寸3D打印對象代表了一種更加先進的人造物體(ti) ，這種物體(ti) 比以前更加接近於(yu) 生物材料和植物係統中那種豐(feng) 富、複雜、高效的幾何形式。

研究者還能夠使用這種3D打印平台創造出軟性的機械緊固零件和3D變形的鎖鍵連接器。“雖然可以設想許多其他功能，但我們(men) 提供的例子包括利用非均質複合材料的形變來製造軟性的機械緊固件，這種緊固件的工作原理非常特殊，它不需要任何化學粘合，完全可以根據緊固係統預先編程好的形狀變化帶驅動不同部件之間的機械互鎖。”

他們(men) 提出這種緊固係統可以創建類似人體(ti) 肌腱或者肌肉的機械連接係統，或者這種可重新設置的鎖鍵連接器也可以用作能夠自主觸發的靈活關(guan) 節等。

通過MM-3D打印技術打印的可編程變形對象製造的軟機械緊固件。

這項研究的領導者為(wei) Dimitri Kokkinis、Manuel Schaffner和André R. Studart，並得到了美國空軍(jun) 科學研究辦公室、瑞士國家競爭(zheng) 力與(yu) 研究中心（NCCR）和蘇黎世聯邦理工學院的資助。