香港城市大學呂堅院士課題組Advanced materials technologies：水與酒精可逆控制4D打印出世

引言

濕度響應變形在自然界中廣泛存在，例如豆莢和小麥芒可以根據外界濕度變化實現自主的開閉。受到這些啟發，研究者們創造了大量刺激響應水凝膠、彈性體和陶瓷材料，并應用在軟體機器人、生物設備和組織工程等各個領域。在這些材料中，雙層水凝膠系統由于其方便可調的特性受到廣泛關注和研究。然而，由于水在水凝膠中的擴散速度較慢(10^?10 to 10^?9 m² s^?1)并且水凝膠的模量普遍較低(10~1000 KPa)，導致了可變形水凝膠的響應和恢復時間都很長，同時難以得到復雜穩定的變形，這限制了可變形水凝膠在實際工程中的應用。因此需要一種方便快捷的方法來制造具有快速響應/恢復和穩定復雜變形的刺激響應水凝膠。

成果簡介

近日，香港城市大學呂堅教授課題組，在預應變驅動4D打印陶瓷前驅體之后（G. Liu, Y. Zhao, G. Wu, J. Lu, Sci. Adv. 2018, 4, eaat0641），與Kannie W. Y. Chan教授，香港理工大學胡金蓮教授課題組合作，利用4D打印技術制備了可以在水/酒精溶液中實現快速、穩定、復雜且可逆變形的高分子條-膜結構。研究者利用高模量甲殼素膜作為驅動層，實現了穩定變形；設計條-膜結構增加水交換的接觸面積，同時采用疏水低模量的PDMS作為限制層，達到了快速響應的目的。利用3D打印的超強定制性和設計性，制造樹葉、風車、蓮花和金魚等一系列具有復雜變形的結構。該成果以題為“Direct‐Ink Written Shape‐Morphing Film with Rapid and Programmable Multimotion”發表在Advanced materials technologies 上。

圖文導讀

Figure 1. 制作過程和材料的基本性能參數。

Figure 2. 不同打印參數對樣品曲率的影響。

Figure 3. 打印復雜結構的變形和有限元仿真對比。

Figure 4. 快速響應和順序響應。

Figure 5. 設計和打印的金魚結構。

總結

本工作設計了一種制造條-膜結構可變形軟體執行器的新方法。與其他需要外界能量驅動的執行器相比，我們執行器能夠快速響應并不需要外界熱或電的刺激。通過調節響應時間，可以實現順序響應。穩定復雜的變形同樣可以實現并可以通過有限元仿真精準的預測。同時，通過打印復雜的自組裝金魚結構，證明了該方法的設計性、便利性和多樣性。該方法為制造復雜快速響應的軟體執行器提供了更多的可能。

介紹視頻

文獻鏈接：

Direct‐Ink Written Shape‐Morphing Film with Rapid and Programmable Multimotion

https://doi.org/10.1002/admt.201900974

呂堅院士簡介：

呂堅教授現任香港城市大學（研究及科技）副校長及研究生院院長，機械工程學院講座教授，先進結構材料研究中心主任，香港工程科學院院士，法國國家技術科學院士。2006年及2017年曾兩次獲得由法國總統親自任命的“法國政府頒授法國國家榮譽騎士勛章”及“法國國家榮譽軍團騎士勛章”，2018年獲得“中國工程界最高獎”第十二屆光華工程科技獎。呂堅教授的研究方向涉及先進納米結構材料的制備和力學性能，實驗力學，材料表面工程和仿真模擬，生物與仿生材料力學，航空航天材料與結構預應力工程，3D打印先進材料與產品集成設計等。

本文由香港城市大學呂堅教授課題組供稿。