仿生運動機制：自調(diào)節(jié)4D打印可穿戴系統(tǒng)的計算設(shè)計和材料編程

供稿人：齊晨云 連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

植物的感性運動是植物體受到不定向的外界刺激而引起的局部運動，無需消耗額外代謝能量，這是由于各個運動的植物結(jié)構(gòu)在其單個細胞和組織中經(jīng)常表現(xiàn)出吸濕性行為，它們可以從環(huán)境中吸收和解吸水分子，使細胞在垂直于纖維素的方向上發(fā)生變形，造成各向異性的膨脹或收縮。當(dāng)以雙層的形式排列時，植物器官結(jié)構(gòu)的單個細胞之間的差異性膨脹會導(dǎo)致整體形狀的變化。植物的被動適應(yīng)性在生物仿生特別是矯形器等可穿戴輔助技術(shù)中有著巨大的前景。

薯蕷通過其莖部螺旋線的拉伸，隨著其托葉的擴張，對宿主植物表現(xiàn)出一種擠壓力，避免了因重力作用而在宿主植物上滑動，這種擠壓行為是平滑、連續(xù)的，而不是離散的，這就為適應(yīng)性可穿戴設(shè)備的設(shè)計提供了一個很好的思路。受此啟發(fā)，Tiffany Cheng[1]等提出了一種用于4D打印材料系統(tǒng)的材料編程方法，并用熔融纖維制造（FFF）打印機使用木材填充的長絲對整體材料系統(tǒng)進行4D打印，在手腕前臂夾板(一種常見的矯正裝置)上實現(xiàn)了自緊功能（圖1）。

圖1：仿生過程，從生物模型到可穿戴設(shè)備。

莖部產(chǎn)生擠壓力的過程通常可分為兩個階段:1)圍繞支撐物的螺旋、松散纏繞；2) 離散的側(cè)向結(jié)構(gòu)（分布在螺旋內(nèi)表面上的托葉）的延遲膨脹向支撐物施加壓力——因此向外推動螺旋，從而張緊系統(tǒng)，其過程如圖2所示。

圖2. 以莖為啟發(fā)的a)纏繞過程b)側(cè)向結(jié)構(gòu)膨脹施壓及張緊過程。

自成形材料系統(tǒng)可以看作簡單子機構(gòu)的集合，這些形狀改變的基本單位叫做運動機構(gòu)，單個運動機構(gòu)由至少兩種不同的材料組成: 響應(yīng)的刺激致動材料和保持相對穩(wěn)定的限制材料(與前者相比)。在響應(yīng)刺激時，兩種材料產(chǎn)生不同的體積變化，通過彎曲產(chǎn)生空間轉(zhuǎn)換。通過設(shè)計運動機構(gòu)中致動材料不同條帶的長度，可實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的不同角度和量。對此，作者提出了一種模擬托葉的袖珍機構(gòu)（圖3），該機構(gòu)由五個部分組成，使用木材-聚合物復(fù)合材料(WPC)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)長絲的組合，由于吸濕性，WPC在干燥或低相對濕度條件下釋放水分，在潮濕或高相對濕度條件下獲得水分，通過4D打印成形使每一個部分都單獨變形以形成空隙實現(xiàn)張緊。

圖3.袖珍機構(gòu)的組成和張緊。

作者使用兩個具有鏡像手性的雙螺旋測試了系統(tǒng)在光滑支撐上穩(wěn)定自身的能力。其中包含袖珍機構(gòu)的系統(tǒng)能夠適應(yīng)并抓住直徑范圍從15到30 mm的支架。相比之下，僅由螺旋(沒有任何袖珍機構(gòu))組成的相同系統(tǒng)僅能夠在30 mm直徑的支撐物上穩(wěn)定自身。作者將這一生物啟發(fā)的運動機制應(yīng)用到具有自適應(yīng)收緊的4D打印矯正夾板的原型中（圖1c），在長期使用過程中，用于固定的自成形裝置可以被編程為隨著時間的推移慢慢收緊自身(消除了由于肌肉萎縮而頻繁移除和重新使用石膏的需要)。

通過仿生設(shè)計和材料的組合，4D打印夾板結(jié)構(gòu)可以進行修改，以擁有比植物模型中出現(xiàn)的更多令人滿意的功能(如具有多種定制屬性的袖珍機構(gòu))，最終增加生物啟發(fā)的自適應(yīng)可穿戴設(shè)備的實用性。

參考文獻：
CHENG T, THIELEN M, POPPINGA S, et al. Bio-Inspired Motion Mechanisms: Computational Design and Material Programming of Self-Adjusting 4D-Printed Wearable Systems [J]. Adv Sci, 2021, 8(13).