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  4D打印技術是在傳統的3D打印基礎上采用自形變軟材料（self-morphing soft materials）作為打印“墨水”。因此4D打印的物體在外部環境刺激（例如光，熱，電場，磁場等）下，其結構，性質或者功能可以發生改變。這一特性使得4D打印技術在軟體機器人，柔性電子器件以及生物醫學料等領域具有極大的應用潛力從而獲得了來自學術界和工業界的廣泛關注。近日，密蘇里大學林見教授課題組報道了一種基于施加應變來定量控制打印物形變的新型4D打印策略。

圖 1

  研究人員首先在硅橡膠中引入可相變的石蠟微球，從而獲得形變可控的彈性復合材料 (圖1A-B)。在預拉伸作用下，硅橡膠宏觀上會發生形變，微觀上會形成梭狀微空腔而石蠟微球會與硅橡膠基質發生分離。在隨后的加熱過程中，石蠟會被融化成液體，進而填充由于拉伸而產生的梭狀空腔。當冷卻后，石蠟的形狀就從球狀變成梭狀。當拉伸應力去除后，梭狀石蠟會阻止硅橡膠的完全復原，從而將一部分應變保留下來（圖1C）。值得注意的是，拉伸應變與被保留的應變存在比較好的線性關系（圖1D），為下一步的結構變化的定量控制打下基礎。

圖 2

  研究人員使用雙噴頭3D打印機以石蠟/硅橡膠和二氧化硅/硅橡膠分別作用打印材料，并打印得到兩種的雙層結構。在殘余應變失配的作用下，兩種雙層結構分別實現了彎曲 (curling) （圖2A-C）） 和折疊 (folding) （圖2D-F），同時曲率（圖2B）和折疊角度（圖2E）均與施加的應變存在較好的線性關系。

圖 3

  除了彎曲和折疊，研究人員通過打印結構設計進一步實現了屈曲 (buckling)這一形變模式（圖3A-B）。同時隨著施加形變的增加，折疊的波長會減小。此外，研究人員證明了屈曲和折疊兩種形變模式可以同時在同一個打印結構上實現（圖3C）。

圖 4

  另外，研究人員設計打印了折紙圖形并利用逐次折疊技術證明了多層結構構建的可能性 (圖4)。為了進一步實現基于逐次折疊技術的復雜結構實現，蠟燭灰作為一種廉價并且具有高效光熱轉換效率的材料被加入到打印石蠟/硅橡膠中，在燈的照射下實現了局部熱處理。

圖 5

  最后，研究人員通過4D打印的硅橡膠復合材料制備了3D電子器件（圖 5A-B）和可穿戴電子器件（圖 5C）。基于曲率和施加應變的關系，研究人員實現了指環狀傳感器（圖 5D）的構建，可用于心電信號的檢測（圖5E）。

  此項研究提供了一種新思路用于4D打印制備硅橡膠基的可編程復合材料。該研究對可形變材料的研發有著重要的啟示作用，同時也將推動4D打印技術在柔性機器人，傳感器、人工肌肉, 人體微機器人等領域的重要應用。該研究日前以題為“4D Printing Elastic Composites for Strain-Tailored Multistable Shape Morphing”發表在國際知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。論文第一作者為鄧恒博士，共同第一作者為張馳博士，論文通訊作者為密蘇里大學Prof. Jian Lin（林見教授）。

  文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c17618?fig=fig2&ref=pdf