来自 科技中心 2020-03-27 01:47 的文章
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美国工程师创造柔性轻质材料 能随温度改变性质

4D打印呼之欲出 自变形材料可实现自动组装

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请想像一下,从宜家买回一把椅子的家具板材,将其放在房间里它们会自动组装;一种汽车涂料可以改变自身的结构,适应潮湿的环境或撒过盐的道路,以便更好地保护汽车免受腐蚀;士兵的制服能改变迷彩或更有效地防止与毒气或弹片的接触。

3月26日,记者了解到,美国罗格斯大学—新不伦瑞克工程师创造了一种柔性轻质材料,经4D打印后的材料可用于飞机和无人机的机翼、柔软机器人、微型植入式生物医疗装置等,能更好地实现减震和变形。相关成果发表在最近一期《材料视界》杂志中。

有人要问了:有那么神奇吗,不需要连接任何复杂的打印机,就能按照产品设计自动折叠成相应的形状?而科学家告诉我们,这就是悄然而至的4D打印技术。那么,它与3D打印有何不同,又是如何做到神通广大的呢?

3D打印也被称为增材制造,可通过逐层打印的方式,将预先构建的数字蓝图转变为物体。

究竟比3D打印“炫”在哪儿

基于这项技术的4D打印有一个很大的不同之处,它使用特殊材料和复杂设计来打印物体,这些物体在环境条件如温度变化下,会随之改变形状。

3D打印方兴未艾,4D打印已呼之欲出。

4D 打印是什么?并不是“第四维度”,按照 Skylar Tibbits 的概念来解释,就是“自我组装”,即材料自动变成为预设的模型。

今年3月,在洛杉矶举行的“技术、娱乐、设计”大会上,麻省理工学院的研究人员首次展示了新一代打印技术——4D打印,顿时“点亮”了众人的目光。

他早前与 Stratasys 和 Autodesk 一起合作,建立“自我组装实验室”并且尝试让物料“自动成形”——将混合物料制成的绳子放到水中,绳子会按照预先设计好的形状变形。如下面的视频,绳子在放入水中之后自己变成的“MIT”的字样。

谈到4D打印过程,建筑师和电脑科学家斯凯勒:蒂比茨解释说:“我们提出将4D物体的第四维度定为时间,也就是说使得3D打印出的物体能够随着时间自动变化和调适。刚性材料形成一个架构,其他层则是弯曲和扭转该架构的力量来源。”

Skylar Tibbits 认为,4D 打印让快速建模有了根本性的转变。与 3D 打印的预先建模然后使用物料成形并不一样,4D 打印直接将设计内置到物料当中,简化了从“设计理念”到“实物”的创物过程。让物体如机器般“自动”创造,不需要连接任何复杂的机电设备。目前,4D 打印的复合材料由科技公司 Connex 提供,材料内嵌入了改变形状的能力。

3D打印技术,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其仍然符合一般传统意义上的造物过程,先模拟后制造,或者一边建物一边调整模拟效果。而通过硬件和软件的紧密结合,4D打印技术颠覆了这种方式。

而为了充分应用这一新技术,Autodesk 的研发团队还设计了新软件 Cyborg,可以用于自我组装和可编程的模拟材料,实现设计的优化和材料的折叠。传统而言,造物过程一般是,先模拟后制造,或者一边建物一边调整模拟效果。而通过硬件和软件的紧密结合,Skylar Tibbits 希望通过 4D 打印颠覆传统的造物方式。

从事4D打印技术研究的工程软件开发商欧特克公司首席研究科学家卡罗:奥古恩说:“4D打印让快速建模有了根本性的转变。与3D打印的预先建模、扫描,然后使用物料成形不同,4D打印直接将设计内置到物料当中,简化了从设计理念到实物的造物过程。让物体如机器般自动创造,无需连接任何复杂的机电设备。”

工程师们创造的这种新“超材料”,经过精心设计,具有自然界中找不到的特性,它们不同寻常甚至违反直觉。以前,超材料的性质和形状一旦制造出来就不可逆转,但此次用热量来调整特性的超材料,能在被击打时保持刚性,或像海绵一样变软以吸收震动。

如此可见,4D打印比3D打印多的一个“D”表现在时间纬度上,这种革命性新技术可以通过软件设定模型和时间,变形材料会在设定时间内快速成型。

在室温73华氏度和194华氏度之间的温度区间,刚性调节可以超过100倍,从而很好地控制减震。材料可重新成形,以用于各种目的。它们暂时变形,转变为任何形状,然后在加热时,根据需要回复其原始形状。

可自变形材料是实现关键

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。

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