4D打印技術將增材制造與智能材料相結合，能夠制造出具有動態特性和可定制幾何形狀的自適應結構，在生物醫學、航空航天、軟體機器人和可穿戴電子設備等多個領域展現出巨大的應用潛力。然而，將多種智能材料融合應用于多功能器件的研究仍然相對有限。目前，大多數4D打印結構依賴于單一智能材料，因此在單獨使用時往往面臨固有的功能性局限。例如，基于液晶彈性體（LCE）的結構能夠實現可逆和連續的形態變化，但這些變化需要持續的外部刺激；而基于形狀記憶高分子（SMP）的結構在去除外部應力或刺激后，能夠保持穩定的臨時形態，但這些形態變化通常是不可逆且不連續的。盡管近年來4D打印技術在多種智能材料融合方面已有一定進展，利用4D打印實現多種智能材料的一體化打印及材料間功能協同，仍是一個相對較少探索且具有挑戰性的領域。
近期，新加坡南洋理工大學周琨教授團隊在《Materials Science and Engineering: R: Reports》期刊上發表題為“Hybrid 4D printing of flexible multifunctional composites by multi jet fusion and direct ink writing”的研究型文章。本文作者開發了一種新型的混合4D打印技術，該技術創新性地將多射流熔融技術（multi jet fusion, MJF）和墨水直寫技術（direct ink writing, DIW）相結合，實現了兩種智能材料的一體化打印，制備了兼具傳感-制動功能的液晶彈性體-形狀記憶高分子（LCE-SMP）復合材料。具體而言，本研究首次基于MJF技術，實現了電導率可調SMP的4D打印，進而利用DIW則將具有可編程液晶基元取向排列的LCE打印到SMP上（圖1）。實驗結果表明，利用混合4D打印所制備的LCE-SMP復合材料成功地實現了LCE和SMP兩種智能材料的功能協同，不僅具備各種各樣可預編程的穩定臨時形態，還具備可逆光熱制動能力，能夠實現高效的仿生動態結構演變與遠程按需物體操控。同時，所打印的LCE-SMP復合材料在制動過程中展現出強大的自感知能力，能夠實時反饋器件的性能和操作狀態。
圖1．混合4D打印多功能LCE-SMP復合材料示意圖
圖2. MJF 4D打印SMP的工藝過程及打印件性能
MJF是粉床3D打印和噴墨打印的結合，多用于制造結構材料。為了實現導電性可調的功能件的制備，作者提出通過調控MJF打印過程中所噴射的炭黑墨水的噴墨量來調控打印件的導電性這一策略。通過噴墨量精確控制和噴墨工藝優化，作者成功實現了導電性從絕緣到導電的大范圍可調的SMP的可控制備（圖2）。實驗結果表明：MJF所打印的導電SMP不僅具有良好的形狀記憶效應、可以被編輯成各種穩定的臨時形狀，還呈現出優異的機械應變感知能力，表現出高的傳感靈敏性和循環穩定性，能夠對各種機械變形模式進行傳感并輸出穩定的電信號。
圖3. 混合4D打印的LCE-SMP復合材料的可逆光熱制動行為
圖4. 混合4D打印的LCE-SMP復合材料的光熱制動和自傳感功能
在MJF打印的導電SMP基底上通過DIW打印上LCE，即可得到LCE-SMP復合材料。如圖3和圖4所示，所打印的LCE-SMP復合材料實現了LCE和SMP兩種智能材料的功能協同，表現出多功能性：（1）高效的熱制動和光熱制動能力，能夠實現可逆的動態結構構筑，這是單獨的SMP材料無法實現的功能；（2）可被預編輯成各種穩定的臨時形狀，且在光熱制動同時具備穩健的形變自傳感能力，這是單獨的LCE材料無法實現的功能。
圖5. 混合4D打印的LCE-SMP復合材料抓手的按需操控和自傳感能力
基于上述LCE-SMP復合材料的特點，本文作者利用混合4D打印技術一體化地制備了具有導電路徑的SMP-LCE復合材料（圖5）。通過預形狀編輯和光輻照控制，所制備的SMP-LCE復合材料能夠像自適應控制抓手一樣，實現對物體的遠程按需操控，例如從長時間的靜態抓取態到釋放或從自由態到抓取轉移。同時，復合材料抓手能夠對操控狀態提供實時電信號輸出，從而為操控過程提供可靠反饋。這項工作展示了所開發的混合4D打印技術一體化制造多種智能材料的能力，為設計和構建3D幾何結構復雜的多功能材料提供了新思路和方法。所開發的兼具傳感-制動的多功能復合材料在未來智慧系統領域，特別是需要執行多重任務的智能可穿戴柔性電子、軟體機器人等，具有巨大的吸引力和應用潛力。
團隊介紹：該論文第一作者為新加坡南洋理工大學博士后研究員陳梅和博士研究生安冉，通訊作者為新加坡南洋理工大學的周琨教授。文章合著者包括法國?貝爾福-蒙貝利亞技術大學的Frédéric Demoly教授和美國佐治亞理工大學齊航教授。周琨教授課題組依托于新加坡3D打印中心和惠普-南洋理工大學數字制造聯合實驗室，長期從事多種增材制造技術（3D/4D打。┭芯，例如粉末熔融（MJF、SLM、SLS）、光固化（DLP、SLA）、擠出成型（DIW、FDM）等。目前聚焦于功能聚合物復合材料及高性能新金屬材料研發、先進結構設計和多尺度模擬仿真、增材制造零件宏微觀力學性能表征及其應用等。
原文鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X24001207
