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  生物材料運用成分分布及有序微結構控制材料的動態性能，如野小麥種子、松果、豌豆莢及碎米萁等，運用纖維的有序結構控制材料的變形行為，形成彎曲、扭轉及卷曲等變形，實現特定的生理功能。基于這種原理，他們提出了仿生4D打印技術。不同于目前主要依賴異質材料組合和幾何形狀設計控制4D行為，仿生4D打印通過材料微結構設計實現多種形式的編程。他們研究了打印工藝參數對液晶彈性體材料液晶單疇定向程度的影響，揭示了工藝-結構-性能關系。運用這種關系，通過控制參數實現了4D液晶彈性體材料變形特性的控制。工藝參數編程的仿生4D打印，充分挖掘了4D打印內在潛力，拓展了4D打印設計空間，有助于理解4D打印的本質和未來的應用開發。

  生物材料利用內部有序結構控制變形，如何利用3D打印形成仿生微結構，并將其用于控制材料變形是一種挑戰。為了驗證這種仿生4D打印技術的可行性，吉林大學任露泉院士團隊探索了在4D打印過程中打印速度對液晶彈性體定向程度的影響，揭示了工藝參數-微結構-性能之間的關系，運用這種關系設計并4D打印液晶彈性體材料，實現了彈跳變形、自組裝、震蕩擺動及蛇形蜷曲等多種變形，驗證了“工藝參數編程”的可行性。他們指出，該設計理念利用了4D打印工藝獨有的優勢，拓展了4D打印的編程空間，未來可用于柔性機器人及柔性傳感器等領域。

圖1 打印工藝參數對液晶彈性體定向程度及變形特性的影響

  他們首先解析了打印溫度及速度對液晶彈性體取向程度及變形程度的影響。然而，由于打印溫度不能進行快速的變換，他們在后續的研究中，使用打印速度作為主要編程工具。研究發現，隨著打印速度的提升，液晶彈性體分子取向程度以及變形程度逐步增加。到達速度臨界值后，取向系數急劇降低。

圖2 打印參數對液晶彈性體微結構及變形特性的影響（a）液晶彈性體打印溫度對收縮程度的影響；（b）液晶彈性體打印溫度對分子取向程度的影響；（c）不同打印速度條件下，液晶彈性體變形實物圖；（d）液晶彈性體打印速度對收縮程度的影響；（e）液晶彈性體打印溫度對分子取向程度的影響。

  根據4D打印過程中打印速度-變形程度之間的關系，他們設計了多種形式的變形。其中，他們利用了打印速度在每條打印路徑上的不同分布，設計了三種2D網格向3D方向的變換，如圖3所示。

圖3 局部異性的打印速度分布對2D網格向3D方向變形的影響（a）打印速度均一(3mm/s)；（b）（c）打印速度區域異性（藍色線條表示打印速度為3mm/s，紅色線條表示打印速度為10mm/s）。

  探索參數-微結構-性能之間的關系，是仿生4D打印設計制造的關鍵技術。這種使用工藝參數的不同分布來實現變形的各面異形，各線異性甚至各點異性，將成為未來4D變形設計方法中一種簡易高效的編程方式。

  以上成果近期發表在ACS Appl. Mater. Interfaces (10.1021/acsami.0c00027)。論文的第一作者為中國科學院院士任露泉，第二作者為其博士生李冰倩。通訊作者分別為吉林大學劉慶萍研究員和英國曼徹斯特大學任雷教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.0c00027