3D打印“可软可硬”智能织物 为可穿戴带来更多可能性

颗粒在线讯：在智能可穿戴材料领域，以往对改变可穿戴材料力学性能的研究非常少，主要困难在于制造可穿戴材料的同时，还需要保证材料的力学性能可快速变化。智能纺织品能赋予纤维或者织物以电学、光学以及磁学等属性，使其具有感知、驱动和信息处理之功能，广泛应用于能量收集、可穿戴计算、生物传感、健康监测等领域。

经过设计构成材料及其几何形状，可以实现所需的特性，如高抗冲击性、热调节或导电性。然而，传统来看，绝大多数的智能纺织品仅仅关注于传感和信息收集功能。机械性能可调的织物可以向人体提供机械反馈，并执行诸如关节辅助、支撑和触觉等功能，因此，具有更大市场前景和应用推广价值。

新加坡南洋理工大学王一凡教授和加州理工学院基亚拉·达拉约（Chiara Daraio）教授团队开发了一种轻薄、安全、价格低的“链甲”智能织物，这是一种由排列成分层链甲三维颗粒组成的，具有可调弯曲模量的结构化织物。这种材料是空心八体联结，由 3D 打印而成，通过气压调节，可实现 0.1 秒内柔软和坚硬状态的自由切换，从而为智能可穿戴材料提出了一种安全、转变速率快、重量轻、价格低的可行方案。他们的研究成果近日发表在Nature上，题为《具有可调力学性能的结构化织物》（Structured fabrics with tunable mechanical properties）。

该项工作系统地探索了由几何形状精确控制的非凸互锁粒子组成的结构织物在干扰过渡过程中的力学特性。因为阻塞转变是一种尺度不变的物理现象，所以由离散粒子组成的可重构织物可以在不同的尺度实现。从原则上讲，增材制造的最新进展使织物厚度从微米到米的尺度变化成为可能，并且针对不同的应用可以使用不同的本构材料。通过整合不同的限制方法(例如，电或磁控制)，可以设想在织物的不同位置编程刚度，用于如触觉界面和医疗刺激等应用。

链甲形状复杂，但当在它们的边界上施加压力时，颗粒互锁，且链甲阻塞。在小外部压力（约93千帕）下，这种片材变得比松弛状态下坚硬25倍以上。这种抗弯强度的显著增加是因为互锁颗粒具有高抗拉强度，不像松散颗粒介质。使用离散元模拟将链甲的微观结构与宏观特性联系起来，并解释实验测量结果。

该研究的创新之处还在于将新颖的设计和前沿的 3D 打印技术结合起来。该材料用传统的制造技术较难实现，如果没有 3D 打印技术，这种拓扑互联的结构较难制造。

相比传统织物，该智能织物具有安全、转变速率快、成本低的优势。首先，该材料的软硬调节通过微型气泵调节气压，对于人体的穿戴来说相对安全；软硬状态的转变可在 0.1 秒内实现。以护腕或护肘等小型智能织物为例，其制造成本大概是 100 美元，若日后批量生产预计成本可降低几倍。

这种智能材料可以取代传统的机器人技术在某些场景的应用。并且，它可实现的尺寸“大小皆可”，也就是说，只要3D打印机的精度足够高，也可以把它做成很轻薄、很小的结构。

以血管支架或者心脏支架手术为例，如果用这种可随时变软或变硬的材料，那么也许通过微创手术就能将这种很软的支架结构放进人体，当它达到某个固定的位置时，再通过调节让它变硬。

此外，该材料可用于人的外皮肤做医疗支撑。目前，通常用打石膏的方式来固定手骨折或断骨的患者的骨折部位。但石膏很硬，而且可能一两个月不能拿下来，造成患者行动不便。

如果用这种新型材料，便随时“可软可硬”，当骨折部位需要支撑时，用气压调节使它变硬；当病人需要休息时，再把它变软。此外，如果 3D 打印机或制造设备足够大，这样的结构可在更大的尺度实现。

根据DeepTech的报道，研究团队开发该材料的研发灵感来自于颗粒材料，这种软材料在日常生活中很常见，比如沙子、大米、豆子等。科学原理则是从物理领域的“阻塞相变”启发而来，用很多颗粒组成智能织物，然后通过外面施加压强的方式达到这种材料软硬状态的转变。

颗粒状颗粒或层状结构的聚集，在阻塞（jamming）过程中，其机械性能会发生变化。阻塞相变，不像普通材料中的那样依赖于温度变化，由颗粒物质中的局部几何约束来控制。阻塞转变，使无序颗粒系统，可以在具有类流体塑性的变形，和具有类固体刚性的变形之间进行可逆切换，并伴随着堆积分数的变化。阻塞已被用于制造具有自适应机械特性的智能材料。

例如给沙子加水，然后从外面加上压力，就可以把沙堆成较坚固的城堡，这其实就是从软状态到硬状态的转变。再如，真空包装的大米摸起来像很硬的砖块，但只要把真空包装袋打开，里面的颗粒便可以自由流动，这是从硬向软状态的改变。

该研究团队通过在边界施加可调压力来触发互锁颗粒之间的堵塞。将两层封装在一个气密的柔性封套中，由于两层之间具有弱耦合，因此仍然可以很容易地弯曲。为了引发堵塞，研究人员接着施加了一个约束压力（将空气从封套中抽出来），导致在织物边界处产生约束应力。这增加了颗粒的总堆积分数，引发了阻塞转变，增加了弯曲模量，并将织物转变为承重结构。

该织物具有很好的结构重构性，并可以塑造各种不同的形状，例如平板和拱形，并且该结构具有很好的机械刚度，能够承受超过其30倍自重的负载。该织物还可以作为可调保护层，防止外力撞击。

王一凡教授也提出了他对于该材料产业化的想法。他认为，小型的医疗支撑应用大概在 5 年内可以落地，而外骨骼系统或者大尺寸的建筑领域应用则预计在5到10年内。

而对于该技术的可提升空间，王一凡表示，他们在这项研究中用的是尼龙聚合物的一种高分子材料，如果想把这种智能织物的高度进一步提升，需要用刚度更大的材料，比如金属材料或碳纤维材料。这需要在 3D 打印金属材料或更强度更大的材料方面进行更深入的研究。

据介绍，目前该团队已有初步的成果可用金属打印。另一个比较大的提升空间在于，该团队主要研究集中在材料和结构上，但如果真正地应用在可穿戴材料，如外骨骼系统，则需要研究整个机械系统。因此，王一凡团队下一步需要研究如何将这种先进的材料与其他的系统模块相结合起来，如控制、感应、驱动、能源等。