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據(jù)國外媒體報道，研究人員發(fā)現(xiàn)，使用具有形狀記憶的、對熱量感應敏感的材料，4D打印技術能夠制造出復雜的自我折疊的結(jié)構(gòu)物。

這項技術是由喬治亞技術學院和新加坡科技大學開發(fā)的。它能創(chuàng)造3D結(jié)構(gòu)物，使扁平材料自動連續(xù)自我折疊，或滾成貨運用的管子。元件對溫度、濕度或光的反應敏感，能精確合成空間結(jié)構(gòu)體、可展開的醫(yī)藥器件、機器人、玩具及其他各種結(jié)構(gòu)物。

研究人員使用的這種形狀記憶高分子敏感材料（SMPs），有能力記住物體的形狀。當溫度統(tǒng)一時，能按照程序改變成另一種形狀。這是一種隨著時間不斷改變形狀、創(chuàng)造物體的能力，能夠在3D物體的基礎上，依照指定的模型，在不同的動力機械特性下工作，打印多重多樣材料。

元件加熱時，由于每個形狀記憶高分子材料內(nèi)部的時鐘不同，其改變形狀的速度也不同。通過小心地設置這些變化，3D物體能被程序控制，自我復制。

這項基于3D打印模型的自我復制結(jié)構(gòu)物的研究囊括了大量不同的形狀記憶敏感材料。圖形結(jié)構(gòu)由3D打印機制造，用生成的平面元件，根據(jù)不同的刺激條件，制成不同的結(jié)構(gòu)物。

在該項研究的早期，研究人員不得不在平面結(jié)構(gòu)的特定位置上加熱，以激發(fā)形狀變化。“我們使用了多種加熱器，在元件的特定區(qū)域上加熱，使元件持續(xù)改變形狀，不得不不停地控制每個加熱器的開關。”喬治亞技術學院機械工程系的喬治·W·伍德拉夫教授解釋道：“早期的努力主要是恰到好處地控制溫度，非常復雜。我們改進了方法，使用了一個網(wǎng)域不變的統(tǒng)一溫度，之后就容易多了，能讓不同的材料通過分子設計自行控制形狀變化的速度。”

研究團隊通過一系列的例子來證明這一方法可行，比如，讓一個平面長片進入有鎖的配置，通過控制它的彎度，使其穿過鑰匙孔。研究人員還證明，平面板條能自我折疊成一個3D盒子。制作這些結(jié)構(gòu)物要求不同部件的不同部分在連續(xù)折疊的時候都要結(jié)合得十分精確。

“我們充分地把這種能力應用在了3D打印敏感材料上，將10種不同的材料集合在了一個3D結(jié)構(gòu)物里。”新加坡科技大學的馬丁·L·鄧恩教授說。鄧恩教授也是新加坡科技大學數(shù)字生產(chǎn)和設計中心的負責人。“我們現(xiàn)在拓展了數(shù)字記憶高分子敏感材料的概念，可以用動力機械性能打印它們，讓它們在3D空間里持續(xù)變化。”

研究團隊使用精細的有限元仿真器件預測3D打印元件的反應，這些器件用兩種不同商業(yè)用途的形狀記憶分子材料制成。研究人員還開發(fā)了簡化了的降階模型，能迅速精確地描述自我折疊過程的情況。

“自我折疊的一個重要特點是自我撞擊的管理，折疊構(gòu)造的不同部分接觸后，可以阻止其繼續(xù)折疊。”研究人員還開發(fā)了一個度量單位，用于預測撞擊。這個度量單位與減階模型一起使用來設計自我折疊結(jié)構(gòu)物，使結(jié)構(gòu)物可以自我鎖定，進入穩(wěn)定的配置狀態(tài)。

該研究團隊期望這項技術能得到廣泛的應用。比如，無人操縱的航空器，原設計使命是巡航，變形后可以潛水。再比如，3D元件原來的設計是平面的或是管狀的，目的是為了便于運輸，現(xiàn)在可以變形為其他想要的3D結(jié)構(gòu)。