弗萊堡大學和斯圖加特大學的研究人員開發了一種使用標準 3D 打印機生產(chan) 可移動、自調整材料係統的新工藝。這些係統可以以預先編程的方式在水分的影響下經曆複雜的形狀變化、收縮和膨脹。科學家們(men) 根據被稱為(wei) 空氣馬鈴薯的攀緣植物的運動機製模擬了它們(men) 的發育。使用他們(men) 的新方法，該團隊生產(chan) 了第一個(ge) 原型：一種適應佩戴者的前臂支架，可以進一步開發用於(yu) 醫療應用。

通過他們(men) 的新工藝，研究團隊生產(chan) 了第一個(ge) 原型，一種適合佩戴者的前臂支架，可以開發用於(yu) 醫療應用

4D打印定義(yi) 形狀變化

3D打印已成為(wei) 廣泛應用的製造工藝。它甚至可以用於(yu) 生產(chan) 智能材料和材料係統，這些材料和材料係統在打印後保持運動，從(cong) 外部刺激（如光、溫度或濕度）自動改變形狀。這種所謂的“4D 打印”，可以通過刺激觸發預定的形狀變化，極大地擴展了材料係統的潛在應用。這些形狀的變化是由材料的化學成分實現的，這些材料由刺激響應聚合物組成。然而，用於(yu) 生產(chan) 此類材料係統的打印機和基礎材料通常高度專(zhuan) 業(ye) 化、定製化且價(jia) 格昂貴。

現在，使用標準 3D 打印機，可以生產(chan) 對水分變化做出反應的材料係統。考慮到它們(men) 的結構，這些材料係統可以在整個(ge) 係統中或隻是在單個(ge) 部件中發生形狀變化。弗萊堡大學和斯圖加特大學的研究人員將多個(ge) 膨脹和穩定層結合起來，實現了一種複雜的運動機製：一種通過展開“口袋”作為(wei) 加壓器來拉得更緊的盤繞結構，當“口袋”鬆開時，它可以自行再次放鬆並且盤繞結構返回打開狀態。

轉移到技術材料係統的自然運動機製

對於(yu) 這個(ge) 新過程，科學家們(men) 使用了一種來自大自然的機製：空氣馬鈴薯通過對寄主植物的樹幹施加壓力來爬樹。為(wei) 此，植物首先鬆散地纏繞在樹幹上。然後它會(hui) 長出“托葉”，即葉子的基部生長物，這增加了纏繞莖和寄主植物之間的空間。這會(hui) 在空氣馬鈴薯的纏繞莖中產(chan) 生張力。為(wei) 了模仿這些機製，研究人員通過構造其層來構建模塊化材料係統，使其可以向不同方向和不同程度彎曲，從(cong) 而卷曲並形成螺旋結構。表麵上的“口袋”導致螺旋被向外推並處於(yu) 張力下，從(cong) 而導致整個(ge) 材料係統收縮。

到目前為(wei) 止，我們(men) 的工藝仍然僅(jin) 限於(yu) 對水分做出反應的現有基礎材料，研究人員說，我們(men) 希望，在未來，能夠對其他刺激做出反應的廉價(jia) 材料將可用於(yu) 3D 打印，並可用於(yu) 我們(men) 的工藝。

生活、適應性和能源自主材料係統卓越集群 (livMatS)

弗萊堡大學生命、適應性和能源自主材料係統卓越集群 (livMatS) 的研究人員正在開發受自然啟發的栩栩如生的材料係統。就像生命結構一樣，它們(men) 可以自主適應不同的環境因素，從(cong) 環境中產(chan) 生清潔能源，不受損壞或可以自我修複。盡管如此，這些材料係統將是純粹的技術對象，因此它們(men) 可以使用合成方法生產(chan) 並部署在極端條件下。