香港城市大学吕坚院士课题组Advanced materials technologies：水与酒精可逆控制4D打印出世

引言

湿度响应变形在自然界中广泛存在，例如豆荚和小麦芒可以根据外界湿度变化实现自主的开闭。受到这些启发，研究者们创造了大量刺激响应水凝胶、弹性体和陶瓷材料，并应用在软体机器人、生物设备和组织工程等各个领域。在这些材料中，双层水凝胶系统由于其方便可调的特性受到广泛关注和研究。然而，由于水在水凝胶中的扩散速度较慢(10⁻¹⁰ to 10⁻⁹ m² s⁻¹)并且水凝胶的模量普遍较低(10~1000 KPa)，导致了可变形水凝胶的响应和恢复时间都很长，同时难以得到复杂稳定的变形，这限制了可变形水凝胶在实际工程中的应用。因此需要一种方便快捷的方法来制造具有快速响应/恢复和稳定复杂变形的刺激响应水凝胶。

成果简介

近日，香港城市大学吕坚教授课题组，在预应变驱动4D打印陶瓷前驱体之后（G. Liu, Y. Zhao, G. Wu, J. Lu, Sci. Adv. 2018, 4, eaat0641），与Kannie W. Y. Chan教授，香港理工大学胡金莲教授课题组合作，利用4D打印技术制备了可以在水/酒精溶液中实现快速、稳定、复杂且可逆变形的高分子条-膜结构。研究者利用高模量甲壳素膜作为驱动层，实现了稳定变形；设计条-膜结构增加水交换的接触面积，同时采用疏水低模量的PDMS作为限制层，达到了快速响应的目的。利用3D打印的超强定制性和设计性，制造树叶、风车、莲花和金鱼等一系列具有复杂变形的结构。该成果以题为“Direct‐Ink Written Shape‐Morphing Film with Rapid and Programmable Multimotion”发表在Advanced materials technologies 上。

图文导读

Figure 1. 制作过程和材料的基本性能参数。

Figure 2. 不同打印参数对样品曲率的影响。

Figure 3. 打印复杂结构的变形和有限元仿真对比。

Figure 4. 快速响应和顺序响应。

Figure 5. 设计和打印的金鱼结构。

总结

本工作设计了一种制造条-膜结构可变形软体执行器的新方法。与其他需要外界能量驱动的执行器相比，我们执行器能够快速响应并不需要外界热或电的刺激。通过调节响应时间，可以实现顺序响应。稳定复杂的变形同样可以实现并可以通过有限元仿真精准的预测。同时，通过打印复杂的自组装金鱼结构，证明了该方法的设计性、便利性和多样性。该方法为制造复杂快速响应的软体执行器提供了更多的可能。

介绍视频

文献链接：

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

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

吕坚院士简介：

吕坚教授现任香港城市大学（研究及科技）副校长及研究生院院长，机械工程学院讲座教授，先进结构材料研究中心主任，香港工程科学院院士，法国国家技术科学院士。2006年及2017年曾两次获得由法国总统亲自任命的“法国政府颁授法国国家荣誉骑士勋章”及“法国国家荣誉军团骑士勋章”，2018年获得“中国工程界最高奖”第十二届光华工程科技奖。吕坚教授的研究方向涉及先进纳米结构材料的制备和力学性能，实验力学，材料表面工程和仿真模拟，生物与仿生材料力学，航空航天材料与结构预应力工程，3D打印先进材料与产品集成设计等。

本文由香港城市大学吕坚教授课题组供稿。