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現(xiàn)實版萬能膠囊？4D打印掀起材料革命

2020-01-17 11:03:19來源：儀器網(wǎng)關(guān)鍵詞：4D打印閱讀量：6464

導(dǎo)讀：在鳥山明的《龍珠》中出現(xiàn)過一種經(jīng)典的科幻設(shè)定——萬能膠囊，只需要打開膠囊就可以變出汽車、飛機、房屋等交通與居住設(shè)備。雖然這是現(xiàn)實中無法實現(xiàn)的黑科技，但是現(xiàn)代材料學(xué)的發(fā)展正在讓萬能膠囊以另一種可行的方式還原出來。

　　【儀器網(wǎng) 材料化工】在鳥山明的《龍珠》中出現(xiàn)過一種經(jīng)典的科幻設(shè)定——萬能膠囊，只需要打開膠囊就可以變出汽車、飛機、房屋等交通與居住設(shè)備。這也成為漫畫讀者與動畫觀眾想要的道具之一。萬能膠囊的原理大致上是將物體粒子化之后進(jìn)行壓縮，使之變成膠囊的形狀，然后在使用時進(jìn)行還原。雖然這是現(xiàn)實中無法實現(xiàn)的黑科技，但是現(xiàn)代材料學(xué)的發(fā)展正在讓萬能膠囊以另一種可行的方式還原出來。

　　去年十月《美國科學(xué)院院刊》刊載了一項關(guān)于4D打印材料的研究成果。來自麻省理工學(xué)院的研究團隊成功制備出新型4D材料，可以從點陣網(wǎng)狀的扁平結(jié)構(gòu)變成諸如人臉的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)。網(wǎng)孔薄板各部分伸展彎曲的不同速率讓薄板還原出人臉的形狀。相對之前研究者只能使材料變形成簡單的立體結(jié)構(gòu)，這已經(jīng)是巨大的進(jìn)步。

　　4D打印在2013年就已經(jīng)被提出，其定義為“智能材料或結(jié)構(gòu)在打印完成后，在外界刺激(如溫度，濕度與光照等)下，其形狀、性質(zhì)和功能隨著時間發(fā)生特定的演變。”傳統(tǒng)3D打印技術(shù)打印出來的材料是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不會發(fā)生改變的，而4D打印技術(shù)制造的材料可以在條件滿足時自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)先設(shè)計好的形狀。

　　在簡單的折疊、卷曲的變化上，4D打印已經(jīng)可以做到靈活的可逆變化，例如4D打印出的經(jīng)過設(shè)計的片狀材料在受熱后可以像折紙一樣自折疊成玫瑰花、小船、兔子等形狀。僅從這一簡單應(yīng)用出發(fā)，就可以用來制作可變形的簡易家具，平時可以平放節(jié)約空間，需要時再折疊成形。

　　但是僅靠折疊、卷曲有一個無法解決的問題——如何讓平面材料變成像球面那樣的三維曲面。麻省理工學(xué)院的研究團隊采用的方法是用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)代替薄型平板。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中間的空隙讓材料可以很容易適應(yīng)材料表面的曲率變化，就像是一張紙想要包裹住一顆球時必然會出現(xiàn)褶皺，但網(wǎng)卻不會。通過這一設(shè)計，工程師們解決了材料的曲率變化問題，也為4D打印材料開辟了更廣闊的應(yīng)用空間。

　　4D打印材料大優(yōu)勢在于可變性，4D材料的應(yīng)用也集中在這一方面。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，可變形材料為微創(chuàng)植入提供了可能。在手術(shù)前將植入器件體積減少到小，等植入后在對器件施加影響使其恢復(fù)為需要的形狀，這樣就可以將傷口面積減少到小。在電子領(lǐng)域，4D材料在特定條件下的變形可以讓電子元件更加智能化，例如當(dāng)溫度變化時，電子元件變形改變電路閉合狀態(tài)從而對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響。此外，在航空航天、軟體機器人、國防工程等諸多領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用前景。

　　而在生活中，可變形材料也讓“萬能膠囊”成為可能，生活用品可以設(shè)計成折疊狀態(tài)方便攜帶，當(dāng)需要使用時觸發(fā)變形條件，讓材料自動展開組裝。雖然做不到漫畫中那樣神奇，但也可以為我們的生活帶來極大的便利。

　　目前4D打印技術(shù)尚在起步階段，4D打印材料的應(yīng)用也還遠(yuǎn)未到投入實用的程度。但我們可以期待，隨著研究的逐漸深入，4D打印技術(shù)將對人類社會帶來多大的改變。

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