美国罗格斯大学创造4D打印超材料硬如木头软如海绵酒店布草
2022-11-23 21:53:14 钻采机械网
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2019年3月25日报道，美国罗格斯大学-新不伦瑞克工程师创造了一种柔性轻质材料，经4D打印后的材料用于飞机和无人机的机翼、软机器人和微型植入式生物医疗装置，可更好地实现减震和变形。相关成果发表在最近一期《材料视界》杂志中。工程师们创造的这种新“超材料”，经过精心设计，具有自然界中找不到的特性，它们不同寻常甚至违反直觉。
3D打印也被称为增材制造，可通过逐层打印的方式，将预先构建的数字蓝图转变为物体。基于这项技术的4D打印有一个很大的不同之处，是它使用特殊材料和复杂设计来打印物体，这些物体在环境条件如温度变化下，会随之改变形状。
工程师们创造的这种新“超材料”，经过精心设计，具有自然界中找不到的特性，它们不同寻常甚至违反直觉。以前，超材料的形状和性质一旦制造出来就不可逆转，但此次用热量来调整特性的超材料，能在被击打时保持刚性，或像海绵一样变软以吸收震动。
在室温73华氏度和194华氏度之间的温度区间，刚性调节可以超过100倍，从而可以很好地控制减震。材料可重新成形，以用于各种目的。它们暂时变形，转变为任何形状，然后在加热时，根据需要回复其原始形状。
这种神奇的材料，可以用于提高飞机或无人机机翼性能，以及用于空间发射的坍塌轻质结构，甚至更大结构的太空板的重建。由这种像章鱼一样柔韧的材料制成的软机器人，可以根据环境和当前任务，调整灵活性或刚度。而将其插入或植入人体进行诊断或治疗的微小装置中，可以让介入装置暂时变得柔软和灵活，以进入人体进行微创并减少疼痛。
在4D打印技术的加持下，在现实世界上演一场“超级变变变”不再是童话。只需特定的条件，比如温度或者湿度，不需要复杂的机电设计，材料就能“聪明乖巧”地改变自身的性质和形状。文中提到的“超材料”，也正是具有特殊甚至反常性质的人造材料。人类给予材料神奇的“魔法”，而材料又将这种“魔法”回馈给人类。尽管技术还不成熟，但可以想象，若超材料得到普遍应用，那如今很多科幻小说里的场景，和现实一比，都会相形见绌。
4D打印延伸阅读
3D打印还没有正式普及，4D打印的概念早在2013年就已经提出了。所谓的4D打印技术，准确地说是一种能够自动变形的材料，它能按照产品的设计自动折叠成相应的形状，是不是够新奇够神奇呢！这种变形功能的潜力无限，适用领域从日用消费品到生物医学实践，从航空航天工业到体育界，无所不包。“你可以设想随运动员和环境的改变而改变的服装和鞋子，轮胎可根据不同路况而变形，消费者就不用为不同路面购买不同型号的轮胎了。”
这种逆天之作是如何实现的呢？
4D打印使用的打印材料为可记忆高分子材料，尤其是慢回弹聚氨酯材料。慢回弹聚氨酯聚醚主要应用于慢回弹泡沫塑料，所谓慢回弹泡沫是指泡沫受外力作用将其变形后，泡沫并不像一般海绵能够立即复原，而是缓慢地恢复原形并且无残留变形，也就是我们通常说的记忆海绵。这种泡沫具有优良的缓冲、隔音等特别功能，可应用于航天、航空、汽车等抗震、缓冲资料以及发动机噪声隔离。
4D打印材料对材料进行编程模仿使得材料依照预先设定好的时刻形状变形，照Tibbits的话说：让物体如机器般主动制作，而不是先设定好物体然后再制作。这项4D打印技术绝对是颠覆性的，它不但能够创造出有智慧、有适应能力的新事物，还可以彻底改变传统的工业打印甚至建筑行业。如果将4D打印技术运用到宏观层面上，可降低制造业的能源和劳动力成本。