72变的4D打印

4D打印出“变形金刚”

想象一下,你和爸爸媽妈去超市买了一个木椅套装,拿回家一看说明书,“给它洒一点水,它会自动组装成一把完好的椅子”,你试着操作了一下,没想到它真的自动变成了一把椅子!不止家具,你网购的衣服只有一个尺码,但穿到你或妈妈身上居然都合身!在火星上,由火箭运送来的“压缩版”航天器,在受到阳光刺激后自动展开、组装了!这些神奇的场景,都将来自于4D打印技术。

我们知道,3D比2D多了一个立体维度,那4D比3D多了什么?变化。4D打印的物体在环境条件(例如温度、光线或湿度)改变时,不需要外力帮助,就会自动变形,组装成一种全新的形态。

为什么能变形?

4D打印的物体能变形,和它使用的特殊的“墨”有关。这种“墨”被称为“智能材料”,能感知外部环境的刺激,比如温度上升、压力增大、光线变强等,然后发生相应的变化。目前使用的智能材料主要有3种,分别是液晶弹性体、形状记忆聚合物和水凝胶。

液晶弹性体

这是一种含有液晶的弹性物质。液晶有一种性质叫“各向异性”,即物体在各个方向上的性质不一样,比如在一个晶体上滴一滴油,油向四周扩散,但各个方向的扩散速度不一样。而液晶弹性体同理,可以通过改变温度、光照等,控制不同方向上的形变,设计出想要的形状。上图是一朵采用液晶弹性体打印的兰花,当它进入水中,会慢慢地卷曲花瓣,形成一种新的花型!

往材料里加点“代码”

虽然这些材料拥有“变形术”,但如何使它们变成我们想要的形状呢?那就是对材料进行编程,将特定的代码植入其中,让材料跟着指令走。首先要了解,它们在受热、光照等刺激下的变形程度,比如每升高一摄氏度,材料会弯曲多少度;然后根据需求在4D打印机中建立模型,勾画不同的材料线条;再将这些线条进行弯折、铺排,最后形成一个能精准变形的成品。这些被植入代码的成品,都严格地遵照指令行动。比如下图这只橙色胶状的小爪,本来是张开的,被加热到适宜温度后,竟能握爪将螺丝钉抓起!

形状记忆聚合物

这种材料能记忆自己的初始形状,如果形态被改变,只要有温度、电、光线等条件的刺激,它就能恢复到原来的样子。星际探测器如果采用这种材料,就可以先被折叠成一个体积很小的物体,到达星球后再展开。

自然界早有“4D打印”

在自然界,伴随着阳光、雨露的滋养,树上的卷须伸展,花朵也绽放开来; 当阳光照向一侧时,植物给背光的一侧发出“指令”,使背光侧长得比向光侧更快,植物就朝着光的方向生长。自然界的植物会根据环境的刺激改变自己的形状,这正是4D打印的灵感来源。只要认真观察和思考,大自然就会为现代科技带来惊喜,这也启示我们:大自然是人类的老师。

水凝胶

水凝胶可以在水中吸收大量水分,迅速膨胀,也能释放水分。能改变它“腰围”的就是外界温度、光照等条件的刺激。利用它,人们能打造出根据湿度大小膨胀或收缩的物体。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年11月1日 上午8:19。
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