4D打印制造出變形材料

圖片說明：上圖是4D打印的網格，這個網格可呈凸面或凹面。圖片來源：Dan Raviv

 

利用新型4D打印技術，研究人員可打印出隨時間變形的動態3D結構。

 

科學家表示，有一天這樣的4D打印產品會應用於各個領域，包括醫學植入和家電產品。

 

當今3D打印產品的原料十分廣泛，包括塑料、陶瓷、玻璃、金屬、以及一些不常用到的材料，如巧克力和活體細胞。3D打印機的工作原理是逐層鋪墊材料，就像一般的打印機出墨一樣，不同的是3D打印機可以層層疊加平面來制造3D物體。

 

該研究的首席作者、麻省理工大學（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的數學家Dan Raviv說：「現在3D打印技術除了可以應用於工業，普通家庭只需花費不到1000美元也同樣可以享受到該技術。3D打印幾乎能制造出任何東西，而不再局限於紙上。這為我們創造了無數種可能，或許以後人們購買玩具、家電產品和各種工具時，只要在網上下個單，就能在家裡打印出它們。」

 

目前，Raviv和同事們的研究進入了下一階段：開發4D打印技術，該技術能打印出可變形的3D產品。

 

Raviv說：「最激動人心的是這項研究能衍生出許多實際的應用。因而它不只是一個看起來很酷的計劃或是一種有趣的解決方案，而將會切實改變許多人的生活。」

 

2014年12月18日出版在Scientific Reports期刊上的一篇研究中，研究人員解釋了他們如何使用兩種不同性質的材料打印3D結構。一種材料是硬質塑料，能夠保持其硬度；另一種是吸水性材料，浸入水中時其體積會增大一倍。這種吸水材料由3D打印公司Stratasys開發，具體配方仍然保密。

 

研究人員打印出了一個邊長15英寸（38釐米）的正方形網格。當網格浸入水中時，吸水性材料會像關節一樣舒展和折疊，呈現出多種復雜的幾何圖形。舉例來說，研究人員打印出了「MIT」的3D字母，其隨後可以變為類似「SAL」字母的形狀。

 

Raviv說：「我們曾設想過這項技術可以衍生出的各種各樣的應用，包括耐高溫產品、提高功能性及舒適度的產品，或是根據濕度和溫度變化的兒童產品，還有能感知環境的高性能衣服和鞋子。」

 

另外，4D打印產品能推進新型醫學植入發展。Raviv說：「現在，研究人員能夠打印出植入人體體內的生物相容性器官。從而我們制造出的結構可以自行改變形狀和功能，無需外部操作。」

 

醫療領域的重要應用之一為心髒支架，它是置於心髒內部幫助恢復的管狀醫療器械。Raviv說：「我們希望能夠打印出能在體內終身適用的產品。」

 

目前，研究人員試圖改進4D打印產品，擴展其產品體積范圍。Raviv說：「我們現在已經制造出幾釐米大的產品。不過，對於植入體內的產品，我們還希望將其縮小10到100倍，對於家用電器而言，我們還要再將其擴大10倍。」

 

Raviv表示，改善4D打印原料仍需要投入大量研究。例如，研究人員開發的4D打印物體雖然可以經受干濕交替，循環使用數次，但材料在折疊與展開數十次之後，會失去變形的能力。科學家還表示，他們想進一步開發能夠對除水之外的其他因素做出反應的材料，例如熱和光。