现实版万能胶囊？4D打印掀起材料革命
- 2020/1/30 8:08:15 21507
- 来源：仪器网
【仪表网 仪表产业】在鸟山明的《龙珠》中出现过一种经典的科幻设定——万能胶囊，只需要打开胶囊就可以变出汽车、飞机、房屋等交通与居住设备。这也成为漫画读者与动画观众想要的道具之一。万能胶囊的原理大致上是将物体粒子化之后进行压缩，使之变成胶囊的形状，然后在使用时进行还原。虽然这是现实中无法实现的黑科技，但是现代材料学的发展正在让万能胶囊以另一种可行的方式还原出来。
去年十月《美国科学院院刊》刊载了一项关于4D打印材料的研究成果。来自麻省理工学院的研究团队成功制备出新型4D材料，可以从点阵网状的扁平结构变成诸如人脸的复杂3D结构。网孔薄板各部分伸展弯曲的不同速率让薄板还原出人脸的形状。相对之前研究者只能使材料变形成简单的立体结构，这已经是巨大的进步。
4D打印在2013年就已经被提出，其定义为“智能材料或结构在打印完成后，在外界刺激(如温度，湿度与光照等)下，其形状、性质和功能随着时间发生特定的演变。”传统3D打印技术打印出来的材料是结构稳定不会发生改变的，而4D打印技术制造的材料可以在条件满足时自发转变为预先设计好的形状。
在简单的折叠、卷曲的变化上，4D打印已经可以做到灵活的可逆变化，例如4D打印出的经过设计的片状材料在受热后可以像折纸一样自折叠成玫瑰花、小船、兔子等形状。仅从这一简单应用出发，就可以用来制作可变形的简易家具，平时可以平放节约空间，需要时再折叠成形。
但是仅靠折叠、卷曲有一个无法解决的问题——如何让平面材料变成像球面那样的三维曲面。麻省理工学院的研究团队采用的方法是用网状结构代替薄型平板。网状结构中间的空隙让材料可以很容易适应材料表面的曲率变化，就像是一张纸想要包裹住一颗球时必然会出现褶皱，但网却不会。通过这一设计，工程师们解决了材料的曲率变化问题，也为4D打印材料开辟了更广阔的应用空间。
4D打印材料大优势在于可变性，4D材料的应用也集中在这一方面。在生物医药领域，可变形材料为微创植入提供了可能。在手术前将植入器件体积减少到小，等植入后在对器件施加影响使其恢复为需要的形状，这样就可以将伤口面积减少到小。在电子领域，4D材料在特定条件下的变形可以让电子元件更加智能化，例如当温度变化时，电子元件变形改变电路闭合状态从而对整个系统产生影响。此外，在航空航天、软体机器人、国防工程等诸多领域都有很大的应用前景。
而在生活中，可变形材料也让“万能胶囊”成为可能，生活用品可以设计成折叠状态方便携带，当需要使用时触发变形条件，让材料自动展开组装。虽然做不到漫画中那样神奇，但也可以为我们的生活带来极大的便利。
目前4D打印技术尚在起步阶段，4D打印材料的应用也还远未到投入实用的程度。但我们可以期待，随着研究的逐渐深入，4D打印技术将对人类社会带来多大的改变。
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