4D打印超材料：几何可重构、功能可变、机械可调

超材料概念来源于1968年前苏联理论物理学家菲斯拉格观察到的介电常数和磁导率都为负值物质的电磁学特性与常规材料不同的现象和理论预测。目前，超材料的一般定义为具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，是将人造单元结构以特定方式排列形成的具有特殊电磁特征的人造结构材料。典型的超材料包括“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。机械超材料的特异性主要是来源于其微观结构元素的拓扑结构。然而，机械超材料一旦制造出来，就具有了固定的性能，无法进一步适应和调整。韩国高丽大学和罗格斯大学合作，通过4D打印的技术，研发出一种可几何可重构，功能可变以及机械可调的轻质超材料。另外，通过采用具有形状记忆聚合物的数字微3D打印技术，可以实现超材料在刚度、几何结构和功能方面的可逆性改变。

该工作使用一种光交联和温度响应的SMP作为机械超材料的组成材料。SMP是一种聚合物材料，能够维持暂时变形的形状（形状编程），并在适当的刺激（如加热）下恢复到原来的形状（形状恢复）。这种形状记忆效应已被广泛研究过，并在许多工程应用中广泛应用于智能结构。使用SMP的3D打印在4D打印（形状转换结构的3D打印）的新兴领域中发挥了核心作用，但重点主要集中在几何转换上。同时，利用SMP在玻璃化转变温度（Tg）周围的玻璃态和橡胶态之间的实质性力学性质的转变，并将其应用于机械超材料。利用数字光处理（DLP）添加剂制造技术、投影微立体光刻（PµSL）和SMP，该工作开发了一种轻质机械超材料，刚性调节可以超过100倍，从而很好地控制减震此外，超材料可以显著变形并且可以锁定在任意几何体中，同时也能保持其机械性能。即使在剧烈变形之后也能完全恢复原始的形状和刚度，这使得该超材料能够在各种情况下承受较大的机械载荷。

这种神奇的材料，可用于提高飞机或无人机机翼性能，还可用于空间发射的坍塌轻质结构，甚至更大结构的太空板的重建。由这种材料制成的软机器人像章鱼一样柔韧，可根据环境和当前任务，调整灵活性或刚度。而将其插入微小装置植入人体进行诊断或治疗，可以让介入装置暂时变得柔软和灵活，进入人体进行微创手术并减少疼痛。

【图文解析】

图1. 4D机械超材料打印。（a）数字添加剂制造工艺示意图。（b）光固化形状记忆聚合物（SMP），由丙烯酸（AA）作为单体形成链段，双酚A乙氧基二甲基丙烯酸酯（BPA）作为交联剂形成交联节点。（c）SMP的存储模量、损耗模量和tanδ。（d）SMP微晶格的典型形状记忆循环。通过加热、变形和冷却进行形状编程，加热后形状恢复到原来的形状。比例尺为2mm。

图2.热可调机械性能。（a）OT4和（b）KF4在五个温度下的应力-应变曲线。对数尺度上（c）OT和（d）KF微格的有效杨氏模量与相对密度的关系。OT和KF的模量从30℃显著下降到90℃。在所有温度下，OT的比例因子为1.2的线性关系和kf的比例因子为2.2的二次关系保持不变。（e）OT2和（f）KF2在30 ℃和90 ℃下连续两次压缩循环的应力应变曲线。微格顶部图像中的比例尺为2mm。

注释：八位体桁架（OT）和四面体单元（也称为Kelvin泡沫，KF）为拉伸和弯曲支配的微晶格的代表性拓扑结构。

图3.热可调、可重构和可部署的微晶格。（a）冲击试验台示意图。（b）KF样品在30℃和90℃冲击载荷期间的延时图像。比例尺为3 mm。（c）在30 ℃和90 ℃下在基板上测量的加速度。（d）可重构微晶格。i）样品处于其原始形状并承受载荷；i i）样品编程为不同的几何结构并承受相同的载荷；i i i）加热后样品返回其原始形状；i v）将样品重新编程为弯曲形状并仍承受相同的载荷；v）加热后样品再次返回其原始形状。比例尺为5 mm。（e）可展开的KF微晶格。i）将原始形状的样品（总厚度大于通道内径）放置在左室中并承受荷载，i i）将样品编程为直径较小并通过弯曲通道导航至右室，i i i）样品从通道中出来并重新获得右舱承载能力。比例尺为20mm。

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