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探求深不可测的未来 智能记忆的4D打印技术

2015-09-23 14:25
Hsiao Chen
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  近日,来自佐治亚理工学院( Georgia Institute of Technology)和新加坡技术和设计大学(SUTD)的科学家们将这一处于起步阶段的技术研究向前推进了一大步,他们开发出了一种新的4D技术,该技术只需一种刺激即可实现创建复杂的自我折叠结构。而且这种具有4D能力的部件可以由几种具有形状记忆能力的智能材料组成,每种材料对热的反应都稍有不同。当这种4D部件暴露于单一来源的热辐射之下时,会发生精确和具有先后时间顺序的移动,并生成三维结构,与此同时各个部分之间并不会产生碰撞或冲突。

  4D打印(4D printing)这个概念,最早是由麻省理工学院(MIT)Skylar Tibbits在2013年的一次TED大会的演讲中提出来的。指的是一种可以通过预先设定的程序或步骤进行自我组装,形成3D结构的材料。迄今为止,我们已经看到了一些具有简单自我改变能力的4D对象。

  “以前的研究努力主要集中在将多个加热器分别放在特定区域,然后控制各个加热器的接通和断开时间,从而使对象按顺序产生形变。这种早期方法基本上自始至终都需要控制对整个对象热量的施加,十分复杂。我们对这种方法进行了改进,使它在更容易实现的具有均匀温度的空间里发生,然后利用不同材料的能力,通过分子设计内部控制其形状改变速度。”佐治亚理工学院的Jerry Qi教授称。

  这个测试对象是研究团队用智能形状记忆聚合物(SMPs)打印而成的,这种SMP材料经过了分子层面的编程,一开始是一种形状,但是一旦被施加一个单一的热源,即可自动变形为第二种特定的形状。在这个实验中,研究团队将多个材料一起3D打印,创造出一种复杂自组装的可控序列。而且研究人员巧妙利用了不同SMP材料对于温水的反应差别,使得各个部分的动作按顺序进行,不至于互相碰撞。

  除了这个自组装的盒子之外,研究人员还创建了一个有趣的装置,它一开始是一个扁平的带子,在变形之后一端卷了起来,然后将自己穿入了一个锁孔。据了解,该4D技术可以同时将多达10个不同的材料融入3D结构。研究小组目前正在结合SMP材料进行实验,希望能够制造出类似于软机器人能够在三维空间连续自主移动的4D对象。

  该研究团队成员包括论文的共同作者:Martin L. Dunn, H. Jerry Qi, Yiqi Mao以及另外来自佐治亚理工研究人员Kai Yu、Michael Isakov和Jiangtao Wu。这个项目的研究资金来自美国空军办公室、美国国家科学基金会和新加坡国立研究基金会(通过SUTD)。

  研究人员们认为,这项技术可以用于制造开发那些初始状态像板材一样便于运输和储藏,但是在使用时又转化为另一种功能状态的产品。甚至可以用于一些复杂的多用途无人机,这种无人机可以根据需要变形为陆上或海上的装置,简单地说,就是变形金刚与之相比都弱爆了。

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