高可編程 4D 打印多形狀梯度超材料及多功能器件

來源：EFL生物3D打印與生物制造

超材料因具有天然材料所不具備的優(yōu)異物理特性，在柔性電子、航空航天和生物醫(yī)學等領域展現(xiàn)出巨大應用潛力，但當前大多為單一材料的均質(zhì)周期性結(jié)構(gòu)，其構(gòu)型和力學性能設計性有限，且力學性能固定，缺乏可編程調(diào)控能力，嚴重限制了應用范圍。此外，形狀記憶聚合物（SMPs）作為一類刺激響應智能材料，通常為單一刺激響應且僅具有單一臨時形狀，難以滿足當前對多功能性和智能化日益增長的需求。  

來自哈爾濱工業(yè)大學劉彥菊教授、林程副研究員團隊開發(fā)了熱響應、光響應、電響應和磁響應的形狀記憶聚合物納米復合材料，利用多材料4D打印技術制備了形狀記憶梯度超材料，系統(tǒng)分析了多響應梯度超材料設計參數(shù)與力學性能的關聯(lián)機制，實現(xiàn)了梯度超材料高度可設計和可編程的構(gòu)型與力學性能，相關工作以《Highly programmable 4D printed multi-shape gradient metamaterials and multifunctional devices》為題發(fā)表在《International Journal of Extreme Manufacturing》上。

研究內(nèi)容
1. 4D打印多形狀梯度超材料的設計原理與應用示意圖，通過構(gòu)建示意圖的方法，研究了4D打印多形狀梯度超材料的設計原理及其在智能信息載體和智能柔性機器人系統(tǒng)中的應用。結(jié)果表明，該超材料通過整合熱、光、電、磁響應的形狀記憶聚合物納米復合材料，實現(xiàn)了多形狀記憶效應和時空可控的選擇性驅(qū)動，為多功能器件開發(fā)提供了新思路。

圖1. 4D打印多形狀梯度超材料的設計原理與應用示意圖。  

2. 多響應4D打印形狀記憶復合材料的制備與表征圖，通過實驗制備與表征分析的方法，研究了光響應、電響應、磁響應和熱響應的形狀記憶復合材料的制備過程及其性能。結(jié)果顯示，添加碳納米管、炭黑和四氧化三鐵等功能填料可改善復合材料的結(jié)晶度、熱性能和力學性能，且各復合材料具有不同的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和微觀形貌。

圖2. 多響應4D打印形狀記憶復合材料的制備與表征圖。  

3. 4D打印形狀記憶復合材料的可編程刺激響應性圖，通過實驗驗證的方法，研究了4D打印形狀記憶復合材料在光、電、磁等刺激下的可編程形狀記憶性能及選擇性驅(qū)動能力。結(jié)果表明，復合材料可實現(xiàn)快速、高效的形狀恢復，且通過多材料組合能實現(xiàn)時空選擇性驅(qū)動，如光/熱雙刺激下不同區(qū)域的獨立響應。

圖3. 4D打印形狀記憶復合材料的可編程刺激響應性圖。  

4. 四韌帶梯度超材料的結(jié)構(gòu)設計圖，通過結(jié)構(gòu)設計與參數(shù)分析的方法，研究了四韌帶梯度超材料的幾何參數(shù)、韌帶構(gòu)型、節(jié)點配置及嵌套結(jié)構(gòu)的設計。結(jié)果顯示，通過調(diào)整韌帶角度、節(jié)點大小等參數(shù)可實現(xiàn)超材料力學性能的調(diào)控，如韌帶角度影響拉伸強度和斷裂伸長率，嵌套結(jié)構(gòu)可顯著提高強度。

圖4. 四韌帶梯度超材料的結(jié)構(gòu)設計圖。  

5. 梯度超材料的高可編程力學性能圖，通過力學性能測試與分析的方法，研究了四韌帶梯度超材料在不同刺激下的力學性能變化及可編程機制。結(jié)果表明，超材料的力學性能可通過選擇性驅(qū)動實現(xiàn)靈活調(diào)控，如從初始形狀到臨時形狀的轉(zhuǎn)變可使拉伸強度顯著提高，且韌帶角度差、節(jié)點大小等因素影響性能變化幅度。

圖5. 梯度超材料的高可編程力學性能圖。  

6. 六韌帶梯度超材料的結(jié)構(gòu)設計與力學性能圖，通過結(jié)構(gòu)設計與對比分析的方法，研究了六韌帶梯度超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其對力學性能的影響，并與四韌帶超材料進行對比。結(jié)果顯示，六韌帶超材料的拉伸強度在初始狀態(tài)下高于四韌帶超材料，且通過調(diào)整韌帶角度和節(jié)點大小可調(diào)控其力學性能，實現(xiàn)高可編程性。

圖6. 六韌帶梯度超材料的結(jié)構(gòu)設計與力學性能圖。  

7. 4D打印數(shù)字像素超材料智能信息載體圖，通過設計與實驗驗證的方法，研究了基于4D打印多響應梯度超材料的數(shù)字像素智能信息載體的設計與應用。結(jié)果表明，該信息載體可通過二進制語言和摩爾斯電碼實現(xiàn)信息的加密與解密，具有高獨立性、可擴展性和個性化設計能力，能傳輸文本、表情等多種信息。

圖7. 4D打印數(shù)字像素超材料智能信息載體圖。  

8. 基于多響應梯度超材料的可變剛度邏輯電子器件圖，通過器件設計與功能驗證的方法，研究了基于多響應梯度超材料的可變剛度邏輯門器件的設計及其邏輯運算功能。結(jié)果顯示，該器件可通過刺激調(diào)控實現(xiàn)剛性與柔性的自由切換，準確執(zhí)行與、或、異或等邏輯運算，為智能柔性機器人系統(tǒng)的集成傳感-驅(qū)動-決策功能提供了可能。

圖8. 基于多響應梯度超材料的可變剛度邏輯電子器件圖。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了多響應形狀記憶聚合物納米復合材料，利用多材料4D打印技術制備了多形狀梯度超材料，在智能信息載體和智能柔性機器人系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大應用潛力。本研究系統(tǒng)分析了4D打印多響應梯度超材料的可編程力學性能，揭示了韌帶和節(jié)點設計參數(shù)與超材料力學性能之間的關聯(lián)機制?；诖耍Y(jié)合二進制語言和 Morse 碼，開發(fā)了可編程數(shù)字像素超材料作為智能信息載體，實現(xiàn)了信息加密與擦除協(xié)議的高度獨立、可擴展和個性化設計。更有趣的是，基于多響應、高可編程梯度超材料，開發(fā)了可在剛性和柔性狀態(tài)之間自由切換的可變剛度邏輯電子器件，可有效處理數(shù)字信號并精確控制電路，有望實現(xiàn)具有集成傳感-驅(qū)動-決策功能的智能柔性機器人系統(tǒng)。

文章來源：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/add8ca