哈佛大學研究人員使用4D打印構建數(shù)學家高斯的面部

來源：未知大陸

4D打印的可變形結構在工程的未來具有巨大的潛力。無論是自組裝桁架，還是有助于細胞再生的醫(yī)療設備，在其成為現(xiàn)實之前，該領域仍需克服許多挑戰(zhàn)。到目前為止，4D打印面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是創(chuàng)建復雜的，平滑彎曲的形狀的能力。難以處理單一材料和簡單結構，而是需要使用多種材料的異構設計。

在哈佛大學，約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）和Wyss生物啟發(fā)工程學院的研究人員合作創(chuàng)造了具有挑戰(zhàn)性的4D打印形狀。在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發(fā)表的一篇論文中證明了該技術的潛力，該團隊開發(fā)的方法已用于制造移頻天線和放置在鹽中的扁平晶格水，呈現(xiàn)出人臉的形狀。

平坦的晶格在與鹽水接觸時變成19世紀數(shù)學家卡爾·弗里德里�！じ咚沟哪�

新型的可變形物質
在為4D打印文件建模時，設計人員會創(chuàng)建一些功能，這些功能會影響所用材料的轉換。通過準確地理解材料在受刺激時（即通過加熱或咸水）將如何膨脹或收縮，設計人員可以精確控制2D對象到可預測3D形狀的轉換。

在SEAS和Wyss的最新實驗中，使用選擇的，多方向的彎曲肋骨，在多層中建立了復雜的晶格。在此過程中，肋骨是使用四種不同的彈性體墨水的組合沉積的-每種墨水對提議的刺激都有不同的反應。

多材料墨水的分層和彎曲的肋骨設計形成了卡爾·弗里德里�！じ咚梗–arl Friedrich Gauss）臉部的變形格子

為了實現(xiàn)可預測的轉換，在設計階段預先確定了用于創(chuàng)建每個單獨的肋的確切位置，方向和材料。在一個示例中，對肋的變形進行了調整，以創(chuàng)建一種天線，該天線在從扁平形變?yōu)閳A拱形時會改變諧振頻率。在另一個更復雜的演示中，還對肋進行了微調，以模仿19世紀數(shù)學家卡爾·弗里德里�！じ咚梗–arl Friedrich Gauss）的臉部輪廓，后者為微分幾何奠定了基礎。

卡爾·弗里德里�！じ咚梗–arl Friedrich Gauss）的臉部肖像，3D模型和隨后的晶格設計在最近的哈佛研究中用于實驗目的

“使用集成的設計和制造方法，我們可以在這些打印材料中編碼復雜的'指令集'，以驅動它們的形狀變形行為，”哈佛大學劉易斯實驗室(Lewis Lab)的負責人、生物學靈感工程教授詹妮弗·a·劉易斯(Jennifer A. Lewis)解釋說。

劉易斯教授補充了這樣一個項目的重要性，他補充說：“我們一起創(chuàng)造了可變形物質的新種類。”


形式服從功能
通過這項研究創(chuàng)建的控制幾何設計隨時可以應用于其他刺激響應材料，從而開始探索4D打印的“具有前所未有的復雜性的可縮放，可逆，變形的結構”。這種多學科方法的示例應用包括：哈佛在軟機器人技術方面的其他發(fā)展在某些方面體現(xiàn)了軟電子技術，智能織物，組織工程和機器人技術的發(fā)展。

哈佛大學物理學，有機和進化生物學教授，研究的合著者L. Mahadevan教授總結說：“形成既能實現(xiàn)功能又能約束功能。使用數(shù)學和計算來設計形式，并結合多尺度幾何和多材料打印來實現(xiàn)它，我們現(xiàn)在能夠構建具有多種功能潛力的變形結構�！�