吉林大學(xué)任露泉院士團(tuán)隊(duì)AFM：4D打印仿生種子彈射器

來(lái)源： 高分子科學(xué)前沿

4D打印是利用刺激響應(yīng)性材料和3D打印技術(shù)來(lái)制造在濕度,、光,、熱,、電場(chǎng)或磁場(chǎng)等刺激下可以改變形狀或特性的三維物體，對(duì)環(huán)境具有適應(yīng)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性,，在航空航天,、生物醫(yī)學(xué)和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,，形狀記憶聚合物（SMPs）,、水凝膠和液晶彈性體（LCEs）是4D打印的主要聚合物材料。SMPs和LCEs的反應(yīng)機(jī)制是聚合物鏈或液晶網(wǎng)格對(duì)外部刺激（通常是溫度）的重新排列,；對(duì)于水凝膠,，其反應(yīng)機(jī)制是膨脹和解吸。這些材料被打印成具有特定位置組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu),，在適當(dāng)?shù)拇碳は庐a(chǎn)生可編程的變化,。響應(yīng)速度由SMPs/LCEs的導(dǎo)熱性或水凝膠的滲透性決定，這導(dǎo)致4D打印物體不能產(chǎn)生快速運(yùn)動(dòng)和快速形狀變化,，也不能應(yīng)用于需要快速形狀轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域,，如快速解鎖和部署航空航天設(shè)備。因此,，具有快速轉(zhuǎn)換能力和高輸出能量的4D打印形狀變形結(jié)構(gòu)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn),，也是實(shí)際應(yīng)用中非常需要的。

近日,，吉林大學(xué)任露泉院士,、韓志武教授、劉萍萍教授和英國(guó)曼徹斯特大學(xué)任雷教授根據(jù)紫羅蘭果實(shí)種子射出過(guò)程中梯度扇形細(xì)胞的結(jié)構(gòu)變化特征,，通過(guò)3D打印技術(shù)對(duì)具有不同存儲(chǔ)模量的異質(zhì)材料的空間分布進(jìn)行編程,，并加工出一種仿生智能彈射器，可通過(guò)力,、溫度,、光、濕度或電的刺激實(shí)現(xiàn)高速?gòu)椛洌�觸發(fā)時(shí)間為毫秒級(jí),，最快彈射速度可達(dá)到3.6米/秒,。這種仿生的4D打印策略突破了傳統(tǒng)4D打印物體運(yùn)動(dòng)速度的限制，有助于釋放4D打印的全部潛力,。這項(xiàng)工作以“Biomimetic 4D Printing Catapult: From Biological Prototype to Practical Implementation”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上,。

研究人員首先觀察了紫羅蘭種莢在種子排出前后的形態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)新鮮瓣片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)松散,，含水量高,，而瓣片的外部結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，含水量低,。依靠快速失水收縮變形,，中間的黃色區(qū)域是主要的驅(qū)動(dòng)單元（圖1）。研究人員還研究了種子的彈射過(guò)程,，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)彈射過(guò)程中,，豆莢經(jīng)歷了一個(gè)種子數(shù)量從多排到單排，再到單粒的漸進(jìn)過(guò)程（圖2）,。

圖1. 紫羅蘭種莢的形態(tài)

圖2. 種子彈射過(guò)程

為了驗(yàn)證種子彈射的原理,，研究人員提取了種莢的橫截面并建立了模型，分析發(fā)現(xiàn),，紫羅蘭種子的彈射原理是基于不同區(qū)域的水分流失和細(xì)胞收縮的程度不同,，從而產(chǎn)生應(yīng)力（圖3a-f）。受種子彈射原理的啟發(fā),，研究人員設(shè)計(jì)了4D打印模型,，并利用多材料打印技術(shù)打印了仿生種莢和彈射樣品，其中彈射是基于不同打印材料在加熱時(shí)的不同玻璃轉(zhuǎn)化溫度,。種莢由兩部分組成,，包括不同的材料，而彈射樣品是由單一材料打印而成,。然后在響應(yīng)材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度以上對(duì)種莢樣品進(jìn)行塑形,，隨后冷卻以達(dá)到固體形狀。通過(guò)打印一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)支架,，仿生彈射器被加熱并固定在支架上進(jìn)行冷卻,，冷卻后模型被固定，彈性勢(shì)能被儲(chǔ)存在其中,。然后通過(guò)提高環(huán)境溫度刺激組裝好的樣品,，使其達(dá)到玻璃化溫度，此時(shí)材料的模量迅速下降并恢復(fù)到成型前的原始形狀,，儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能迅速釋放并轉(zhuǎn)移到彈射器上,，隨后轉(zhuǎn)化為彈射的動(dòng)能（圖3g-h）,。

圖3. 4D打印彈射器的仿生設(shè)計(jì)

4D打印樣品可以在多種刺激下進(jìn)行彈射。如圖4a所示,，使用了外部應(yīng)力觸發(fā)器,，用手簡(jiǎn)單地?cái)D壓夾持端，當(dāng)擠壓力超過(guò)射出物和樣品之間的摩擦力時(shí),，彈丸被彈出,。在圖4b中，使用了加熱觸發(fā)器,，將組件浸入60℃的水浴中,，彈丸被彈出。在圖4c中,，使用紅外光照射樣品并提高其溫度，也可以觸發(fā)彈射,。因?yàn)榭諝獗挥米骷訜岷蛷椛浣橘|(zhì),，所以彈射的速度要比在水中快得多。在圖4d中,，使用了電觸發(fā),，中間的光束由導(dǎo)電材料制成，與兩種材料打印成一體,。通電后,，橫梁產(chǎn)生熱量并作為觸發(fā)器。其原理與之前的觸發(fā)器相同,，即模量的快速下降,。由于電熱效率高，彈射反應(yīng)時(shí)間比紅外加熱的情況要短得多,，彈射速度也很合理,。圖4e顯示了三個(gè)彈丸的順序觸發(fā)過(guò)程，其觸發(fā)原理與圖4d中的單個(gè)彈丸相同,。研究人員還分析了仿生4D打印彈射器在各種刺激下的運(yùn)動(dòng)情況,，研究了電觸發(fā)、紅外加熱觸發(fā)和水浴加熱觸發(fā)三種觸發(fā)模式下彈丸的反應(yīng)時(shí)間和彈射速度（圖5）,。

圖4. 4D打印彈射器的多刺激響應(yīng)

圖5. 4D打印彈射器在各種刺激下的運(yùn)動(dòng)

研究人員拍攝了高速攝像圖像,，發(fā)現(xiàn)由水浴觸發(fā)的瞬時(shí)射出速度為≈1.7 m/s，加速度為25g,；由紅外加熱觸發(fā)的瞬時(shí)射出速度為≈3 m/s,，加速度為39g；由電觸發(fā)的最大彈射速度為≈2 m/s,，射出加速度為≈20g,。單次觸發(fā)和多次觸發(fā)之間沒(méi)有明顯差異（圖6a-d）,。研究人員打印了一個(gè)衛(wèi)星模型，該衛(wèi)星配備了不同的彈射功能,，即一個(gè)微型衛(wèi)星模塊,、一個(gè)捕網(wǎng)模塊和一個(gè)子彈模塊（圖6e-g）。用熱風(fēng)槍對(duì)要發(fā)射的模塊進(jìn)行加熱,，幾秒鐘后,，各模塊被發(fā)射出去，互不干擾,，說(shuō)明了4D打印彈射器在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景,。

圖6. 彈射器觸發(fā)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用前景

結(jié)論：研究人員通過(guò)高速攝影和豆莢的微型CT切片研究了紫羅蘭種子的順序噴射機(jī)制�,；�于這一機(jī)制,，使用多材料打印機(jī)加工了一系列仿生4D打印彈射器，可以在不同的刺激下觸發(fā),，觸發(fā)時(shí)間為毫秒級(jí),。這種仿生方案提供了短的觸發(fā)時(shí)間和快的觸發(fā)速度，克服了4D打印樣品的低驅(qū)動(dòng)應(yīng)力和慢驅(qū)動(dòng)速度的缺點(diǎn),。仿生的4D打印彈射器樣品還可以由特殊的工程聚合物或金屬形成,，在空間衛(wèi)星發(fā)射和空間站垃圾清理方面具有很好的應(yīng)用前景。