一組研究團隊開發(fā)出創(chuàng)新模型，可以預測并改善3D打印材料性能

2025年2月26日，南極熊獲悉，西班牙馬德里卡洛斯三世大學（UC3M）與牛津大學、倫敦帝國理工學院和巴斯克地區(qū)BC材料研究中心合作，開發(fā)了一種創(chuàng)新的計算模型。這個模型能夠預測這些結構在打印后將如何表現(xiàn)，例如它們的機械強度、電氣性能等，并且還能指導改進這些結構的設計，以便更好地滿足特定的應用需求。這一研究成果已發(fā)表在《自然通訊》雜志上，為生物醫(yī)學、軟機器人以及其它工程分支等領域的新應用開辟了可能性。

相關研究題目為“用于3D打印導電元件多功能設計的計算機模擬平臺”（傳送門）

本文的主要作者之一Daniel García-González解釋道：“導電熱塑性塑料目前非常有前景，因為它們在提供結構支撐的同時，還能傳輸電信號。然而，制造這些材料的主要挑戰(zhàn)在于控制導電熱塑性塑料內(nèi)部結構。因為細絲之間的粘合和小腔的存在會影響它們的機械強度和電信號傳輸能力。”

迄今為止，這些因素被視為3D打印過程中的不可避免的缺陷。但是，研究人員通過整合先進的計算工具與實驗測試，成功地控制了這些特性。這使得他們能夠制造出既靈敏又能夠?qū)�機械信號轉(zhuǎn)換為電信號的結構。

用于評估3D打印導電聚合物多物理行為的實驗測試平臺

推動智能多功能材料的開發(fā)與應用

卡洛斯三世大學研究人員Javier Crespo指出：“這一發(fā)現(xiàn)的關鍵在于，它可以推廣到其它類型的3D打印技術，其中可以使用更柔軟的材料。例如，在工程領域，這些結構既可用于制造軟機器人，也可用于獲取可用于機器學習技術的虛擬數(shù)據(jù)。”

這項新研究得到了大量實驗驗證的支持，提供了一種可靠的方法來最大限度地減少導電元件不同行為之間的差異，并代表了多功能材料設計方面的一個重大進步。研究人員樂觀地認為，借助這些新計算工具的結合，將有可能設計出為未來增材制造奠定基礎的材料。

△這項工作提供了一個多尺度計算框架來評估3D打印導電聚合物的熱電機械行為

牛津大學教授、這項研究的共同作者Emilio Martínez-Pañeda表示：“這項研究開辟了無限的可能性，使得智能材料和傳感器的開發(fā)成為可能。這些材料和傳感器可能在航空航天工業(yè)或基礎設施監(jiān)控方面發(fā)揮巨大作用。”

Daniel García-González補充道：“此外，利用這些新材料，我們還可以制作貼片或敷料，監(jiān)測膝蓋彎曲次數(shù)。這樣，一旦發(fā)生受傷，我們就能在關鍵點收到警報，從而避免肌肉損傷。”

總的來說，研究團隊開發(fā)的這種計算方法，能夠從多個尺度（如分子、微觀結構、宏觀結構等）綜合評估和分析通過3D打印技術制造的導電聚合物材料的熱、電和機械性能，同時也為生物醫(yī)學、軟機器人以及其他工程領域帶來了新的應用前景。