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  4D打印被用來制造具有動態變形或變形能力的智能結構，在制造時間和材料消耗方面相比3D打印更具吸引力。然而現有的4D打印方法難以制備出兼具復雜變形能力和優異力學性能的結構，嚴重制約其在工程應用領域的進一步發展。

  近日，北京大學方岱寧院士課題組與佐治亞理工齊航教授課題組合作，提出了一種新的4D打印策略—氣動多材料4D打印，該策略基于異質材料組成的空腔結構在充氣載荷作用下發生不均勻鼓脹的原理，通過灰度光投影技術在空間內精確編程異質形狀記憶材料的分布來調控充氣后材料的局部拉伸和結構的三維構型。由于采用形狀記憶材料，新的構型在升溫后還可以回復到初始構型，且結構具有優異的力學承載性能。新的方法允許研究者們設計并制備出具有高度變形復雜性的結構，包括人臉狀結構。該研究成果以Shape-Memory Balloon Structures by Pneumatic Multi-material 4D Printing為論文題目發表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202010872)上。

圖1. 氣動多材料4D打印方法。(A) 灰度光投影打印異質材料空腔結構示意圖；(B) 初始打印構型轉變成預定義三維構型的熱-氣動訓練過程示意圖。

  研究者們通過精心選取兩種不同投影光等級，打印得到組成氣球空腔結構的兩種異質形狀記憶材料。通過熱-力學測試發現，兩種材料的玻璃轉化溫度分別為60°C和83°C，且均具有優良的形狀記憶效應。通過在常溫(25°C)和高溫(80°C)下的單軸拉伸測試發現，兩種材料的模量比由室溫下的4.5提高到高溫下的61.3，力學性質差異發生了顯著擴大，這為在高溫下通過充氣調控氣球結構的變形提供了先決條件。

圖2. 打印條件及材料力學性質表征。(A) 打印光能量與光亮度等級的關系；(B-F) 兩種異質材料的熱-力學性質表征；(G-H) 具有不同異質材料分布的空腔結構充氣后形成不同構型

  研究者們首先提出了一種以管狀氣球結構作為基本可變形單元的結構設計方法，有限元分析和實驗發現，通過將管狀變形單元中的材料分布設計成箍狀，可以對單元折疊后的角度和朝向形成精確調控。基于管狀可變形單元及其在空間內的幾何延拓，研究者設計并制備了能夠發生大幅膨脹和卷繞變形的結構，此外還設計了一種由初始二維構型變成狗狀三維復雜構型的結構。

圖3. 基于管狀可變形單元的氣動多材料4D打印設計方法及制備的結構。(A-C) 管狀可變形單元的設計方法；(D-F) 基于管狀可變形單元4D打印設計方法制備的結構變形后形成閥狀，帳篷狀或狗狀。

  這種新型的4D打印方法除了能夠制造含有復雜三維構型的結構，還能夠制備初始具有平坦表面一旦充氣便能自動變成目標三維復雜曲面的創新構型。研究者們根據逆向設計方法，在一個平坦面內交替排布兩種異質材料，通過設計異質材料復合的比例進而調控充氣后面內的局部拉伸應變。基于此設計并制備了曲面輪廓類似于火山狀和甜甜圈狀的結構。為了展示新方法具有制備復雜曲面結構的能力，研究者通過設計實現了方形平面充氣后變成人臉型，再現了目標曲面中眼部凹入和鼻梁凸出等多種曲面特征。

圖4. 基于平面薄層可變形單元的氣動多材料4D打印設計方法及制備的結構。(A-B) 平面薄層可變形單元逆向設計方法示意圖；(C-E) 基于平面薄層可變形單元4D打印設計方法制備的平坦表面變形成甜甜圈狀、火山狀或人臉狀輪廓。

  論文第一作者為北京大學工學院博士生張強，通訊作者為方岱寧院士和佐治亞理工學院的齊航教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010872