匹茲堡大學(xué)的斯旺森工程學(xué)院和克萊姆森大學(xué)的研究人員，結(jié)合光響應(yīng)纖維和熱響應(yīng)凝膠構(gòu)建了一種新的混合材料，當(dāng)其暴露在光和熱的作用下時(shí)，可以進(jìn)行多次重構(gòu)，這將有助于研發(fā)出不僅適應(yīng)環(huán)境，且在不同刺激下也能表現(xiàn)出顯著差異的設(shè)備。

  由匹茲堡大學(xué)化工和石油工程特聘教授安娜C.巴拉茲和克萊姆森大學(xué)材料科學(xué)與工程的副教授Olga Kuksenok共同開發(fā)的計(jì)算模型，模擬出這些復(fù)合材料兼具高度可重構(gòu)性和強(qiáng)機(jī)械性能，其在仿生的四維打印具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。他們的研究“集成熱響應(yīng)溶膠和光響應(yīng)纖維的復(fù)合材料對(duì)于刺激反應(yīng)的行為探討”最近發(fā)表在皇家化學(xué)學(xué)會(huì)出版的 Materials Horizons 雜志上。

  “在4D印刷中，時(shí)間是表征材料結(jié)構(gòu)的第四維度，換句話說，這些材料即使在被打印出來后也仍可改變形體。該能力減緩了對(duì)每種新應(yīng)用重新設(shè)計(jì)各部分的需求，因此，能大幅地降低成本。”鮑拉博士解釋說，“目前研究人員面臨的挑戰(zhàn)是，開發(fā)具有高強(qiáng)度和延展性，并對(duì)超過單一刺激有不同響應(yīng)的材料。”

  巴拉茲和Kuksenok博士藉由將涂覆有SP發(fā)色團(tuán)的光響應(yīng)纖維嵌入溫度敏感凝膠解，成功地解決了這個(gè)問題。這種新材料在光和熱下，反應(yīng)出顯著的差異。

  “如果我們把該復(fù)合材料的樣品固化到一個(gè)表面上，使其暴露在光下時(shí)，它會(huì)朝一個(gè)方向彎曲，而在遇熱時(shí)則會(huì)朝另一方向彎曲”，Kuksenok博士說。“當(dāng)樣品分離時(shí)，其受熱會(huì)像手風(fēng)琴一樣收縮;而在光照時(shí)會(huì)像毛蟲那樣卷曲。這種可控行為允許一個(gè)物體能展示不同型態(tài)進(jìn)而達(dá)到功能的優(yōu)化。”而這個(gè)彎曲正是取決暴露于光或熱。

  研究人員指出，將SP的官能基特別地嵌入在纖維上時(shí)，復(fù)合材料可包含那些只在光下存在的“隱藏”特征，這是通過簡單地加熱該樣品所無法做到的。此仿生刺激響應(yīng)機(jī)制可用于隨光彎曲或伸直的關(guān)節(jié)上，并且成為新型調(diào)適設(shè)備的關(guān)鍵組件，如：柔性機(jī)器人。

  “機(jī)器人是個(gè)很棒的工具，但當(dāng)你需要檢視一個(gè)脆弱的結(jié)構(gòu)時(shí);如在人體內(nèi)，你會(huì)想要一個(gè)“粘糊的”機(jī)器人，而不是具有聯(lián)鎖齒輪和銳邊的典型設(shè)備”巴拉茲博士說。“這種復(fù)合材料有助于開發(fā)出一種柔軟、可塑性的設(shè)備，且在不同環(huán)境時(shí)能展示出可控的功能。”

  正如鮑拉博士指出，“這項(xiàng)工作的重點(diǎn)在于，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)能產(chǎn)生一系列的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。在理念方面，我們的研究結(jié)果提供了復(fù)合不同刺激響應(yīng)組件指導(dǎo)方針，其可開發(fā)出可控、能反覆驅(qū)動(dòng)新動(dòng)態(tài)變化且有大規(guī)模運(yùn)動(dòng)的自適性材料。”

  更進(jìn)一步的研究將聚焦在剪裁嵌入纖維的排列，以開發(fā)出手狀結(jié)構(gòu)類型的夾具。