近日，Pittsburgh大學Swanson工程學院和Clemson大學的研究人員們(men) 開發出了一種新的混合材料，該材料當暴露在不同的光線或熱刺激環境中時可以多次從(cong) 新配置自己形成不同的形狀。研發人員稱，這項研究將光響應纖維與(yu) 熱響應凝膠結合了起來，在軟機器人和其它仿生的4D打印輔助裝置方麵具有強大的應用潛力。

眾(zhong) 所周知，3D打印技術的發展已經大大地擴展了人類製造和設計的邊界，使得眾(zhong) 多功能材料可以轉化成各種各樣的功能器件，比如電子產(chan) 品、機械金屬合金部件甚至包括活的生物細胞等。但是在大多數情況下，這些3D打印部件的構思、設計和製造都是為(wei) 一個(ge) 特定的目的服務的。

而增材製造的下一次革命就是將使3D打印的部件在其製造完成也能夠適應不同的需求和滿足各種不同的功能。如今，研究人員正在嚐試通過打開“第四個(ge) 維度”——時間，並利用環境誘因如光、熱、振動或磁場來自組裝或者重新配置以做到這一點，從(cong) 而滿足當前在製造、包裝、機器人和生物醫學領域的現有需求。這就是4D打印。正如該項研究的發起研究人員之一 Skylar Tibbit所說的：“想象一下那種無需依賴複雜的電子機械設備的那種機器人般的 行為(wei) ！”

在這個(ge) 4D打印研究項目中，匹茲(zi) 堡大學的化工和石油工程教授Anna C. Balazs和Clemson大學的材料科學和工程助理教授Olga Kuksenok帶領的團隊開發出了一種計算機建模算法，該算法可以根據工作人員的設計將熱響應聚合物凝膠和光敏纖維集成在一起，所得到的“混合”材料被認為(wei) 具有高度的可重構性和機械強度，不僅(jin) 能多次重新配置並形成不同的形狀，而且也在不同的刺激條件下表現出明顯不同的行為(wei) 。

例如，Balazs和Kuksenok博士發現，當被錨定到一個(ge) 表麵上時，該複合材料在暴露在光照之下時會(hui) 向一個(ge) 方向彎曲，而受到熱刺激的時候則會(hui) 向其它方向彎。當與(yu) 表麵分離時，該樣品“在被加熱時會(hui) 像手風琴一樣縮小，而被照亮時又會(hui) 像一條毛毛蟲那樣卷曲”。這意味著，一個(ge) 單一的對象可以根據它所變形的形狀而實現不同的功能，而且它的行為(wei) 是完全可編程、可預見和多方麵的。

“在4D打印中，時間是表達該材料結構特性的第四個(ge) 維度；即這些材料即使在被3D打印完成後也具有變成另一個(ge) 新的形狀的能力，這種變形能力就減少了為(wei) 每個(ge) 新的應用創建一種新的應用的可能性，因此，有可能會(hui) 導致顯著的成本節約。”Balazs解釋說：“研究人員麵臨(lin) 的挑戰是創建一種材料，這種材料既具有強度和延展性，而當暴露於(yu) 一個(ge) 以上的刺激條件中時又能夠顯示出不同的行為(wei) 。”

在本次研究中，科學家們(men) 通過向將塗覆有Spirobenzopyran（SP）發色團的光響應纖維嵌入一種對於(yu) 溫度敏感的凝膠來實現對單個(ge) 對象的多種行為(wei) 的“編程”。研究人員們(men) 還指出，通過專(zhuan) 門定位不同纖維上SP的功能性，該複合材料能在光存在的條件下完成“隱藏”的模式。這種響應刺激的仿生運動將能夠幫助柔性關(guan) 節機器人在不同的光照條件下完成彎曲和伸直的運動。

這項研究最近發表在英國皇家化學會(hui) 的《Materials Horizons》雜誌上，論文題目是《集成了熱響應凝膠和光敏纖維的複合材料的刺激響應行為(wei) （Stimuli-responsive behavior of composites integrating thermo-responsive gels with photoresponsive fibers）》。下一步Balazs、Kuksenok及其同事們(men) 的研究目標是通過對對這種纖維的定製化“編程”，使其形成形成手狀的結構，並可以根據環境刺激執行抓握或者其它功能。