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可随环境改变形状,美工程师发明吸睛4D打印材料

信息来源:soouoo.com  时间:2019-03-27  浏览次数:87

凤凰网科技讯 北京时间3月25日消息,罗格斯大学新布伦瑞克(Rutgers University-New Brunswick)校区的工程师近日发明一种可用于4D打印的柔性轻质材料,这种材料能够更好地用于减震、改变飞机或无人机的机翼形状、柔性机器人和微型可植入生物医学设备。这项研究成果发表于最新一期的材料期刊Materials Horizons。

3D打印又称为增材制造,通过逐层建造将数字蓝图转化为实物。罗格斯大学机械与航天工程(603698)系助理教授豪恩·李(Howon Lee)表示,4D打印同样建立在这一技术基础之上,但同3D相比最大的不同点在于:4D打印使用特殊的材料和复杂的设计来打印能够随环境条件(如温度等)变化而改变形状的物体,时间成为触发物体形状改变的第四个维度。4D打印技术材料是关键,这是一种复合材料。遗憾的是,到目前为止,现有的4D打印技术不是缺乏对机械性能的高度精确控制,就是受制于传输限制或化学反应本身的缓慢,需要很长的反应时间。

豪恩·李指出,材料科学、力学和3D打印的这种前所未有的综合运用,将创造出一条通往一系列广泛应用的新途径,这些应用将改善技术、健康、安全和生活质量。工程师们创造了一种新的“超材料”(metamaterials),这是一种被设计成具有自然界所不曾存在的非同寻常和反直觉特性的材料。“超材料”一词来自希腊语单词“meta”,表示“更高”或“超越”。

此前,一旦超材料被制造出来,其形状和性能已被限定不可逆转。但是罗格斯大学的工程师们可以通过加热来调整他们的塑料类材料,这类材料在受到冲击时会保持刚性,或者变得像海绵一样柔软来吸收冲击。在华氏度73度和194度之间,该材料的刚度可以调整到100倍以上,从而极大地控制减震能力。这种材料可以根据多种用途进行重塑,它们可以临时转换成任意形状,然后在加热时根据需要恢复原形。

4D打印材料可以用于改变飞机或无人机机翼的形状以提高性能,也可以用于某些轻型结构,这些结构可以在空中安装时折叠起来,然后在空中改造成更大型的结构,比如太阳能电池板。

此外,受章鱼启发,由柔性轻质材料和橡胶材料打造的柔性机器人可以根据当前的环境和任务,拥有可变的灵活性或刚度。嵌入或植入人体内用于诊断或治疗的微型设备可以暂时变得柔软而灵活,以达到微创和减少痛苦的效果。

这项研究的主要作者是豪恩·李实验室的博士生Chen Yang,合著者包括Manish Boorugu、Andrew Dopp、Jie Ren、雷蒙德·马丁(Raymond Martin)、Daehoon Han,以及韩国大学的Wonjoon Choi教授。(作者/良弼)

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