結構奧義之4D列印術

credit: 滷雞爪子

4D列印技術指的是製造能夠隨時間變換形態的簡單產品的技術。研究人員現在已經更進一步，發展了一套構建可預測的負載結構的方法。

3D印表機已經是很多研究實驗室的標配了，如今，一些研究人員正思索將時間這個維度加入列印技術中。Kristina Shea是蘇黎世聯邦理工學院(ETH)的工程設計和計算實驗室負責人，也是一名科學家。4D列印能夠創造出可移動和改變形狀的物品，比如，一個平面的組件在一段時間內被摺疊成三維的物件，或是可以在外界影響下改變形態的物品。

Shea和她的團隊通過改善結構原理對物品的變形進行控制。「我們創造出的平面結構不是胡亂變形的，而是按照我們設計的方式，」Shwa實驗室小組裡一個博士生Tian Chen說。這個構造也可以承受重量。ETH的科學家們第一次創造出了能夠承受重量的4D列印物品。

兩種形態的元素

科學家們開發的構造原理依賴於單個元素的兩種形態：收縮和擴展。研究人們將這些元素結合在一起創造出更複雜的結構。因為單個元素只有兩個形態中的一種，所以科學家們能夠預測出穩定形式的3D列印出的物品整體結構。這也使物品可以採取幾種不同的穩定結構。並且研究人員也發明了模擬軟體，他們可以準確地預測出物品的形狀和變形所需要的力。這有助於他們設計出物品。

科學家們用3D印表機列印出他們所需的結構，這個專業的3D印表機最多可以使用40中不同材料進行列印。ETH的科學家們創造出的物體由兩部分組成：一種是構成大部分結構的剛性聚合物，另一種是用於移動部件的彈性聚合物。研究人員只需一步就能列印出所有的部分。

高效和快速

「4D列印有許多優點，」Shea說。「列印一個帶有剛性聚合物和彈性聚合物的原始平面結構只需要一個步驟，這是非常高效的。如果用3D列印的話將會很複雜並且耗費很多時間才能完成。」而且，平面結構在運輸時節省空間，且可以在到達目的地後再組裝成立體結構。類似這樣的方法已經運用到航空航天事業上，例如，將一些物體轉換成壓縮狀態進行運輸。

4D列印已經運用在航空航天事業上。但是科學家們也在考慮將其運用在一些簡單結構上，包括通風系統、閥門開關或是醫療用途，如血管支架。

目前，科學家們正在手動對這些結構重新配置。但是他們正致力於使創造出的結構能夠靠溫度驅動。他們還說，可以用氣動管道(壓縮空氣)或膨脹材料來控制結構，這些材料能根據濕度變化形狀。

本文譯自 Science Daily，由譯者 滷雞爪子 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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