瑞典大学研究人员在3D打印机基础上研制出4D打印

瑞典林雪平大学的一支研究团队近日取得突破性进展，成功利用基于挤压的3D打印机开发出一套微米级别的微执行器。这些微执行器蕴含了一种独特的电活性聚合物，使得它们在打印后，在电荷的作用下能够改变形态，从而展现出4D功能。在软机器人领域，这相当于模拟了肌肉收缩的过程。

虽然传统的4D打印软机器人通常局限于厘米或毫米级别，但研究团队成功将这一驱动机制缩小到微米范围，其厚度仅有大约20微米。通过他们创新的定制机器，展示了多功能性和惊人的可扩展性，有望通过微型机器人来“拓宽软机器人的应用范围”，这是前所未有的。

所谓的4D打印，其实是一种高级的3D打印方法。它允许制造的物体随着时间的推移和使用，能够通过内置变形材料进行自我变形。这项技术的核心在于，通过精确控制材料和结构，赋予物体额外的维度和动态功能。

据了解，该研究的第一阶段主要集中在构建专用的打印机。这台机器的基础是一个三轴可编程的CNC工作台，配备了一套高精度的流体分配系统。其中，一个关键的组件是连接到一个5mL锁定注射器的精密泵，通过平台的精确横向运动来控制挤压速率。

研究人员在制造过程中，首先在载玻片上放置了一层仅40纳米厚的金薄层，以形成导电层。然后，他们使用注射器将一层可紫外线固化的聚氨酯丙烯酸酯凝胶分配到导电层上。当这层凝胶完全在紫外线下固化后，便形成了微执行器的“身体”和“手臂”。研究团队在金片的另一面沉积了一层聚吡咯（EAP），完成了微执行器的构建。

经过无数次的尝试和失败，团队成功打印出了长度范围从5微米到数毫米的微执行器。最薄的微执行器仅有20微米厚。更为令人兴奋的是，与其他3D打印方法相比，这些微执行器可以在极低的电压下启动，仅需1V的电位。科学家们表示，这项研究展示了通过3D打印技术实现低成本微型机器人小型化的巨大潜力。这一发现不仅在机器人技术领域中具有重要意义，还可能为生物医学植入物的按需定制开辟新的道路。与此其他研究机构也在不同激活机制的4D打印技术，如赖斯大学的研究人员最近利用温度响应性材料打印的软机器人。这些机器人能够在特定温度下激活，未来有望应用于按需重新配置自身的生物医学植入物中，为医疗领域带来革命性的进步。