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現(xiàn)實版萬能膠囊?4D打印掀起材料革命

2020-01-17 11:03:19來源:儀器網(wǎng)關(guān)鍵詞:4D打印閱讀量:6560
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  【儀器網(wǎng) 材料化工】在鳥山明的《龍珠》中出現(xiàn)過一種經(jīng)典的科幻設(shè)定——萬能膠囊,只需要打開膠囊就可以變出汽車邁出了重要的一步、飛機有序推進、房屋等交通與居住設(shè)備。這也成為漫畫讀者與動畫觀眾想要的道具之一需求。萬能膠囊的原理大致上是將物體粒子化之后進行壓縮堅定不移,使之變成膠囊的形狀,然后在使用時進行還原更讓我明白了。雖然這是現(xiàn)實中無法實現(xiàn)的黑科技指導,但是現(xiàn)代材料學的發(fā)展正在讓萬能膠囊以另一種可行的方式還原出來。
 

 
  去年十月《美國科學院院刊》刊載了一項關(guān)于4D打印材料的研究成果充分。來自麻省理工學院的研究團隊成功制備出新型4D材料進一步完善,可以從點陣網(wǎng)狀的扁平結(jié)構(gòu)變成諸如人臉的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)集聚。網(wǎng)孔薄板各部分伸展彎曲的不同速率讓薄板還原出人臉的形狀。相對之前研究者只能使材料變形成簡單的立體結(jié)構(gòu)調整推進,這已經(jīng)是巨大的進步狀況。
 
  4D打印在2013年就已經(jīng)被提出,其定義為“智能材料或結(jié)構(gòu)在打印完成后機製,在外界刺激(如溫度全過程,濕度與光照等)下,其形狀探討、性質(zhì)和功能隨著時間發(fā)生特定的演變不負眾望。”傳統(tǒng)3D打印技術(shù)打印出來的材料是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不會發(fā)生改變的,而4D打印技術(shù)制造的材料可以在條件滿足時自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)先設(shè)計好的形狀調解製度。
 
  在簡單的折疊精準調控、卷曲的變化上,4D打印已經(jīng)可以做到靈活的可逆變化應用的因素之一,例如4D打印出的經(jīng)過設(shè)計的片狀材料在受熱后可以像折紙一樣自折疊成玫瑰花解決、小船、兔子等形狀開展試點。僅從這一簡單應(yīng)用出發(fā)攜手共進,就可以用來制作可變形的簡易家具,平時可以平放節(jié)約空間推進一步,需要時再折疊成形經過。
 
  但是僅靠折疊、卷曲有一個無法解決的問題——如何讓平面材料變成像球面那樣的三維曲面力度。麻省理工學院的研究團隊采用的方法是用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)代替薄型平板明確了方向。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中間的空隙讓材料可以很容易適應(yīng)材料表面的曲率變化,就像是一張紙想要包裹住一顆球時必然會出現(xiàn)褶皺善謀新篇,但網(wǎng)卻不會。通過這一設(shè)計便利性,工程師們解決了材料的曲率變化問題方法,也為4D打印材料開辟了更廣闊的應(yīng)用空間。
 
  4D打印材料大優(yōu)勢在于可變性提供有力支撐,4D材料的應(yīng)用也集中在這一方面切實把製度。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域,可變形材料為微創(chuàng)植入提供了可能自行開發。在手術(shù)前將植入器件體積減少到小進行部署,等植入后在對器件施加影響使其恢復(fù)為需要的形狀,這樣就可以將傷口面積減少到小應用情況。在電子領(lǐng)域保護好,4D材料在特定條件下的變形可以讓電子元件更加智能化組建,例如當溫度變化時,電子元件變形改變電路閉合狀態(tài)從而對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響特點。此外深刻變革,在航空航天、軟體機器人和諧共生、國防工程等諸多領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用前景質生產力。
 
  而在生活中,可變形材料也讓“萬能膠囊”成為可能技術交流,生活用品可以設(shè)計成折疊狀態(tài)方便攜帶先進的解決方案,當需要使用時觸發(fā)變形條件,讓材料自動展開組裝創造更多。雖然做不到漫畫中那樣神奇信息,但也可以為我們的生活帶來極大的便利。
 
  目前4D打印技術(shù)尚在起步階段相互融合,4D打印材料的應(yīng)用也還遠未到投入實用的程度首要任務。但我們可以期待,隨著研究的逐漸深入不同需求,4D打印技術(shù)將對人類社會帶來多大的改變發展。
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