4D打印新突破——微粒體光刻打印微米級快速“變形”結構

麻省理工學院和新加坡科技設計大學(SUTD)的工程師們用光打印出能夠“記憶”原來形狀的三維結構。該三維結構，無論是做成花狀還是一英尺高的埃菲爾鐵塔形狀，即使被拉伸、扭轉和彎折成極端角度，都可以通過加熱至“最佳溫度”而在幾秒鐘內恢復原來的形狀。目前，該研究已經可以打印出最小到人類頭發尺寸的微結構，這個尺度是此前可打印形狀記憶材料尺寸的十分之一。研究成果日前發表在期刊《科學報告》上。

　　3D打印形狀記憶材料也被稱作4D打印，即3D打印的結構可以隨著第四維度——時間而發生變化。

　　為了獲得形狀記憶結構，一些研究者使用3D打印技術，以獲得可定制的相對精細的結構。然而，使用常規的3D打印只能設計出不小于幾毫米的結構。這種尺寸也限制了材料快速恢復原來形狀的能力。如果能夠構造更小尺寸的形狀記憶結構，會具備在幾秒鐘內快速響應的能力。例如，花朵可在毫秒內釋放花粉，因其釋放機制是在微米尺度下。

　　為打印出具有更精細細節的微結構，研究人員開創了微立體光刻3D打印方法，使用來自投影儀的光打印出疊層的樹脂圖案。研究人員首先創建一個CAD結構模型，然后將模型劃分成數百片，每一片傳送至投影儀并形成一張位圖圖像，投影儀透過位圖照射液態樹脂或聚合物溶液，將圖像刻蝕到樹脂上，再進行固化。這樣通過一層層地打印，最終形成三維結構。

　　形狀記憶高分子材料可以在兩種狀態下切換，即較低的溫度下硬的玻璃態，以及較高溫度下軟的橡膠態。材料的彎曲和拉伸形狀可以在室溫下“凍結”，當材料被加熱時會“記憶”并彈回原來的形狀。溫度響應的形狀記憶高分子材料具有非常廣泛的應用前景，如控制太陽能電池板方向的柔性執行機構，以及可以在感染初期自動打開的微型藥物膠囊。

　　　這項研究不僅將4D打印用于微米尺度，而且可以打印出比其他商業3D打印拉伸長度高10倍的形狀記憶高分子材料。這將4D打印提升至一個更廣闊的可實用的層次，如用于生物醫藥裝置、可展開的航空結構，以及可變形的光伏太陽能電池。