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  外部刺激下的變形行為是自然界中有趣且與其生物功能息息相關的現(xiàn)象，如含羞草在觸碰下的收縮，松果在濕度下的開合以及毛膏菜在激素刺激下的葉片卷曲等。因此，基于外部刺激下的變形行為研究引起了廣泛的關注。目前，變形器件的主要難點為響應性材料以及器件的構筑方法。近年來，水凝膠的快速發(fā)展使其在變形器件上獲得了廣泛的應用。但在構筑方法上，很多都是以響應層-非響應層結合、通過多步組裝來制備。并且在變形方面，目前的研究還停留在從二維平面向三維立體結構的變形，無法實現(xiàn)從三維向更加復雜三維形態(tài)的變化，限制了變形器件的發(fā)展。3D打印作為新興的先進制造技術，具有精確構筑、自由設計以及一步成型的特點，因此，將其應用在水凝膠變形器件，能夠充分發(fā)揮其在微結構制備方面的優(yōu)勢。

  中科院蘭州化學物理研究所王曉龍研究員團隊采用數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術，通過在一側(cè)構筑不對稱的微結構實現(xiàn)了濕度刺激下的變形水凝膠材料和器件。以打印的樣條為例（圖1），通過在其表面一側(cè)構筑垂直或傾斜于長度方向微溝槽，樣條能夠?qū)崿F(xiàn)快速的彎曲或螺旋，更為重要的是這種彎曲或螺旋變形是可設計和控制的。

圖1. DLP 3D打印可控形變水凝膠示意圖

  如圖2所示，利用3D打印在自由設計和成形方面的優(yōu)勢，打印成形件在濕度刺激下能夠?qū)崿F(xiàn)從一維樣條向三維類石斛蘭花朵的形態(tài)轉(zhuǎn)變，或從二維的平面花朵向三維風車的形態(tài)轉(zhuǎn)變，或從三維八爪柱狀體向更加復雜的三維八爪魚或水輪機的形態(tài)轉(zhuǎn)變，充分表現(xiàn)了采用3D打印靈活設計復雜可控變形器件的能力。更為重要的是，該變形器件的設計理念和方法具有良好的通用性和兼容性，可推廣至多種光固化打印的水凝膠體系。如采用加入溫敏性的2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯(MEO2MA)的前驅(qū)體材料，3D打印的抓取器能夠在溫度刺激下實現(xiàn)水下的快速抓取、輸運與釋放功能。研究者相信，這種采用3D打印實現(xiàn)單一水凝膠材料復雜但精確可控變形的方法對拓展3D打印在軟機器人、智能器件方面的應用具有重要的意義。

圖2. 3D打印水凝膠實現(xiàn)復雜但精確可控變形

  相關工作發(fā)表在Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201800713)上，王曉龍研究員為唯一通訊作者，博士研究生姬忠瑩為第一作者。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admt.201800713