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前沿 | 麻省理工开创3D打印热响应性自愈合塑料
金陵 2016-08-27
导语

近日,麻省理工和新加坡科技设计大学在塑料的3D打印获得了自愈合方面的进展。他们开创的3D打印热响应性聚合物材料,能够记得原来的形状,即使被暴露在极端压力和扭转弯曲成无用的形状,只要把对象放回他们的响应温度下,立即在几秒钟内回到原来的形式。

图:MIT3D打印自愈合塑料制成的软机械手。该机械手在温暖的环境自动关闭起来,可以拿起一个小螺栓。

关于自愈合材料的打印,之前,德国Freiberg的研发团队研发出面向未来的可自行愈合裂隙或恢复原状的4D打印技术。而英国的Ilika研究出可自愈合的4D打印技术并获得215万英镑的政府资金支持,其中Ilika的CEO来自于英国剑桥大学。值得注意的是,Freiberg以及Ilika研究的领域是金属打印的范畴。

近日,麻省理工和新加坡科技设计大学在塑料的3D打印获得了自愈合方面的进展。他们开创的3D打印热响应性聚合物材料,能够记得原来的形状,即使被暴露在极端压力和扭转弯曲成无用的形状,只要把对象放回他们的响应温度下,立即在几秒钟内回到原来的形式。 这是一个巨大的创新,可以使3D打印适用于更广泛的应用。开拓性的研究人员已经在研究控制药物输送和太阳能电池板跟踪解决方案。这一突破性的创新成果被发表在Nature杂志旗下的科学报告上。

该研究小组的助理教授Kevin Ge和Howon Lee解释说,这些4D打印方法可以应用于不同尺寸的打印。“我们的方法不仅使4D打印在微米量级得以实现,而且也可以应用于更大的对象打印,以获得更广泛的商业应用领域所需要的记忆聚合物。这将4D打印推进到广泛的实际应用领域,包括生物医学设备、航空航天结构件、太阳能电池等。”

当然,这不是第一次关于软、活性材料的探讨。除了温度的刺激,科学家们还在其他环境刺激(如热、光、电)的不同情况进行了研究,为生物医学、机器人和可穿戴式应用打开了更多可能性。

记忆是一种特别有用的特性,因为它允许物体在不同的柔软程度、弹性状态下进行切换。在这种特殊的情况下,即使室温也可以“冻结”这些材料,使之呈现出不同的形状,而一个稍高的温度又可以使这些材料瞬间“弹”回坚实的状态。

但通常的3D打印方式并不是制造这些材料的最理想方法,主要影响因素是微观层面上的精度。在达到极细微的打印精度情况下,这些材料可以瞬间恢复其原始形状。这就好比一朵花可以在几毫秒内释放花粉,它只能能够这样做,是因为它的驱动机制是在微米尺度上的。

研究团队所使用的3D打印技术是DLP技术,特别之处在于来自半导体行业的高分辨率镜头。为了创建理想的形状记忆材料,他们最终决定将一种长链聚合物,和另一种较硬的聚合物混合打印。固化后的混合材料可以很容易地承受拉伸和弯曲而不破裂。

研究团队打印的埃菲尔铁塔可以被拉伸到原来长度的三倍,而不断裂,并在几秒内返回它们的原始形状。但最实用的例子是软机械手。爪子在温暖的环境自动关闭起来,可以拿起一个小螺栓,甚至还鱼蛋和软豆腐。

文章链接:

Nicholas X. Fang, et al, “Multimaterial 4D Printing with Tailorable Shape Memory Polymers,”Scientific Reports

新闻链接:

3-D printed structures “remember” their shapes

(本文文字参考自3D科学谷;)

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  • 3D打印
  • 热响应性聚合物材料
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作者 金陵

本科生

北京大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科

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