供稿人:常金科 賀健康 發(fā)布日期：2017-06-28
形變系統(tǒng)（Shape-morphing systems） 在智能面料、自主機器人、生物醫(yī)學(xué)裝置、藥物檢測、組織工程等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。在自然界，植物應(yīng)激運動就是這種系統(tǒng)的很好例子。例如一些卷須、苞葉、葉子和花朵受到濕度、光照和接觸刺激時，會發(fā)生形態(tài)改變的應(yīng)激反應(yīng)。這些應(yīng)激產(chǎn)生的形態(tài)變化，在微觀上是由于細(xì)胞壁中纖維素微纖束陣列的各向異性而導(dǎo)致的局部細(xì)胞內(nèi)部膨脹行為不同。受到這種自然植物的啟發(fā)，研究人員基于新興的4D打印技術(shù)開發(fā)出了仿生4D打?。˙iomimetic 4D printing）。
圖1. 植物仿生建模
圖1. 植物仿生建模
圖1. 植物仿生建模
目前，研究人員普遍關(guān)注于構(gòu)建植物應(yīng)激結(jié)構(gòu)和形狀記憶結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一些仿生4D打印新技術(shù)，如復(fù)合雙分子膜和形狀記憶鉸鏈等。但在仿生4D打印領(lǐng)域仍存在著單一材料4D結(jié)構(gòu)成型，和4D結(jié)構(gòu)形狀的正反向設(shè)計方面存在著諸多難題。
圖2.4D打印過程-纖維素微纖束定向性和產(chǎn)生可預(yù)知角度形變
哈佛大學(xué)Lewis團隊開發(fā)了一種仿生學(xué)結(jié)構(gòu)，具有可編程的動力學(xué)結(jié)構(gòu)。打印了水凝膠復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，通過對其中纖維素微纖束陣列的精確4D打印路徑編碼計算，控制局部結(jié)構(gòu)各向異性的膨脹行為。并通過一種最小結(jié)構(gòu)推算的方法，該團隊克服了對預(yù)定目標(biāo)形狀的反向設(shè)計難題，實現(xiàn)了可編程制造植物應(yīng)激結(jié)構(gòu)。這種編程結(jié)構(gòu)可以在水中產(chǎn)生預(yù)知形變，并具有復(fù)雜的三維形態(tài)。該研究被發(fā)表在《NATURE MATERIALS》 雜志上[1]。
圖3.仿生4D打印的復(fù)雜形狀花朵