相比于傳統(tǒng)的制造方法，3D 打印具有一系列獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，比如支持高度定制化的柔性生產(chǎn)從而可以滿足特定的應(yīng)用需求，能夠以數(shù)字化的形式制造復(fù)雜幾何外形和內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)從而為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供極大的自由度，還可實(shí)現(xiàn)一體化加工成型從而無(wú)需進(jìn)行繁瑣的后續(xù)組裝工序。
4D 打印是在 3D 打印的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，使打印的靜態(tài) 3D 物體具有動(dòng)態(tài)的刺激-響應(yīng)性能，因而在制備自動(dòng)組裝或可變形的智能結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
3D/4D 打印技術(shù)在醫(yī)療、建筑、航空航天、機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。例如：
在醫(yī)療領(lǐng)域，可以利用 3D/4D 打印制造個(gè)性化的可植入式醫(yī)療器械，比如自展開式的功能支架或藥物緩釋系統(tǒng)；
在建筑領(lǐng)域，可以利用 3D 打印制造建筑元件，使用 4D 打印制造具有自適應(yīng)性的建筑結(jié)構(gòu)，以便提高能源效率；
在航空航天領(lǐng)域，可以利用 3D/4D 打印制造輕量化的可變形機(jī)翼或空間飛行器自展開太陽(yáng)能帆板，以提高飛機(jī)和宇航器的性能。
近年來(lái)，4D 打印技術(shù)的發(fā)展為液晶彈性體（LCEs，Liquid crystal elastomers）的設(shè)計(jì)和制造解鎖了更多的可能性。LCEs 是一類非常有前景的智能軟材料，可以在多種外界刺激下發(fā)生與其液晶基元取向相關(guān)聯(lián)的大幅度可逆的形狀變化。
這種“刺激-響應(yīng)性”讓 LCEs 在軟體機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。相比傳統(tǒng)的制備技術(shù)，4D 打印技術(shù)特別是擠出式墨水直寫技術(shù)，能夠同時(shí)對(duì)液晶基元的取向排列和制件的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程控制，從而獲得具有理想“刺激-響應(yīng)性”的 LCEs 器件。
然而，目前大多數(shù) 4D 打印 LCEs 依賴于熱響應(yīng)機(jī)制，形狀變化特性固定且單一，缺乏功能多樣性和可再編輯性，難以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境尤其是多功能仿生機(jī)器人、多任務(wù)制動(dòng)器和高精度自適應(yīng)設(shè)備的需要。
基于此，新加坡南洋理工大學(xué)周琨教授和團(tuán)隊(duì)提出一種創(chuàng)新解決方案，通過(guò)開發(fā)可打印的光致變色二氧化鈦納米晶（TiNC）/LCE 復(fù)合墨水，并借助墨水直寫 4D 打印技術(shù)，成功打印出一種 LCEs，它們具備可再編程的光致變色性能和光熱制動(dòng)性能。
（來(lái)源：Advanced Materials）
所打印的材料能在紫外光輻射之下從白色轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏�，并在空氣中從黑色可逆地變回白色，且能獲得可編程的光熱制動(dòng)行為。
通過(guò)精心設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和控制光照輻射，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了 4D 打印 TiNC/LCE 復(fù)合材料的整體或局部編程、擦除和再編程功能，進(jìn)而創(chuàng)造出多樣化的顏色圖案和復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)。
這項(xiàng)研究不僅拓展了 4D 打印 LCEs 的應(yīng)用范圍，還為可再編程功能實(shí)現(xiàn)提供了新途徑，為制造具備復(fù)雜功能的智能軟機(jī)器人提供了新的靈感，也為設(shè)計(jì)和構(gòu)建具有獨(dú)特和可調(diào)功能的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)開辟了新途徑。
所開發(fā)的材料在多功能軟體機(jī)器人、偽裝和多級(jí)信息存儲(chǔ)等多種領(lǐng)域具備一定應(yīng)用潛能。這項(xiàng)工作不僅能為材料研究領(lǐng)域帶來(lái)創(chuàng)新，還將在光學(xué)傳感、顯示、防偽等方面產(chǎn)生廣泛應(yīng)用。
（來(lái)源：Advanced Materials）
研究中，該團(tuán)隊(duì)先是從 4D 打印的原材料墨水材料的開發(fā)著手。這個(gè)階段的目標(biāo)是確保復(fù)合的墨水不僅能擁有良好的打印性能，還能滿足可逆光致變色特性和可再編程響應(yīng)特性的要求。
其次，他們將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為研究的重要組成部分。不僅在微觀層面上優(yōu)化了液晶基元的取向排列方式，同時(shí)在宏觀層面也進(jìn)行了幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以便最大程度地發(fā)揮材料的性能。
再次，打印工藝的優(yōu)化是保證研究成功的關(guān)鍵一環(huán)。為此他們不僅需要調(diào)整打印參數(shù)以實(shí)現(xiàn)液晶基元的取向排列，還需以較高精度讓打印件的三維形狀得以保持。
最后，通過(guò)性能測(cè)試和表征，他們揭示了“材料-結(jié)構(gòu)-打印”三者之間的相互影響，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化的推動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了理想的刺激-響應(yīng)特性。
期間，也曾經(jīng)歷一段頗具挑戰(zhàn)的時(shí)期。擔(dān)任相關(guān)論文第一作者陳梅博士曾遇到一個(gè)技術(shù)難題：即所制備的墨水材料無(wú)法順利地被打印機(jī)擠出。
通過(guò)深入分析打印過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，他們發(fā)現(xiàn)擠出口處打印溫度偏低導(dǎo)致材料無(wú)法正常擠出。
為解決這一問(wèn)題，他們對(duì)打印機(jī)裝置進(jìn)行優(yōu)化改造，為打印頭配置了分段加熱套。經(jīng)過(guò)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，成功克服這一難題，實(shí)現(xiàn)了墨水材料的連續(xù)擠出。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Materials）
最終，相關(guān)論文以《具有協(xié)同光致變色和光致動(dòng)的可重新編程液晶彈性體的 4D 印刷》（4d printing of Reprogrammable Liquid Crystal Elastomers with Synergistic Photochromism And Photo-Actuation）為題發(fā)在 Advanced Materials，陳博士是第一作者，周教授擔(dān)任通訊作者。
該工作為未來(lái)智能材料的發(fā)展開辟了新的可能性。在此基礎(chǔ)上，周琨教授團(tuán)隊(duì)將專注于兩個(gè)關(guān)鍵方向的后續(xù)工作。
第一，將基于新材料的突出性能進(jìn)行深入的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以探索其在軟體機(jī)器人領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)將材料的光致變色和光熱變形特性融入到機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，其將嘗試創(chuàng)造更加智能化、更加多功能化的機(jī)器人系統(tǒng)。
第二，他們將進(jìn)一步拓展新材料的功能性。例如，將光致變色的納米粒子與膽甾相液晶彈性體相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的選擇性光波反射和力致變色等引人注目的性能。
圖 | 周琨（來(lái)源：周琨）
據(jù)介紹，周琨教授團(tuán)隊(duì)依托于新加坡 3D 打印中心和惠普-南洋理工大學(xué)數(shù)字制造聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，在 3D 打印的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究方面擁有十余年的工作積累。
研究方向涵蓋 3D 打印功能性高分子和高性能金屬材料設(shè)計(jì)與制備、多尺度多物理模擬仿真、宏微觀力學(xué)行為、先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工業(yè)應(yīng)用等。
針對(duì)不同的應(yīng)用需求，該團(tuán)隊(duì)已與多家企業(yè)合作開發(fā)了多種 3D 打印高分子復(fù)合材料，共同申請(qǐng)了多項(xiàng)國(guó)際專利。
參考資料：
1.Chen, M., Hou, Y., An, R., Qi, H. J., & Zhou, K. (2023). 4D Printing of Reprogrammable Liquid Crystal Elastomers with Synergistic Photochromism and PhotoActuation. Advanced Materials, 2303969.
