结构奥义之4D打印术

credit: 卤鸡爪子

4D打印技术指的是制造能够随时间变换形态的简单产品的技术。研究人员现在已经更进一步，发展了一套构建可预测的负载结构的方法。

3D打印机已经是很多研究实验室的标配了，如今，一些研究人员正思索将时间这个维度加入打印技术中。Kristina Shea是苏黎世联邦理工学院(ETH)的工程设计和计算实验室负责人，也是一名科学家。4D打印能够创造出可移动和改变形状的物品，比如，一个平面的组件在一段时间内被折叠成三维的物件，或是可以在外界影响下改变形态的物品。

Shea和她的团队通过改善结构原理对物品的变形进行控制。“我们创造出的平面结构不是胡乱变形的，而是按照我们设计的方式，”Shwa实验室小组里一个博士生Tian Chen说。这个构造也可以承受重量。ETH的科学家们第一次创造出了能够承受重量的4D打印物品。

两种形态的元素

科学家们开发的构造原理依赖于单个元素的两种形态：收缩和扩展。研究人们将这些元素结合在一起创造出更复杂的结构。因为单个元素只有两个形态中的一种，所以科学家们能够预测出稳定形式的3D打印出的物品整体结构。这也使物品可以采取几种不同的稳定结构。并且研究人员也发明了仿真软件，他们可以准确地预测出物品的形状和变形所需要的力。这有助于他们设计出物品。

科学家们用3D打印机打印出他们所需的结构，这个专业的3D打印机最多可以使用40中不同材料进行打印。ETH的科学家们创造出的物体由两部分组成：一种是构成大部分结构的刚性聚合物，另一种是用于移动部件的弹性聚合物。研究人员只需一步就能打印出所有的部分。

高效和快速

“4D打印有许多优点，”Shea说。“打印一个带有刚性聚合物和弹性聚合物的原始平面结构只需要一个步骤，这是非常高效的。如果用3D打印的话将会很复杂并且耗费很多时间才能完成。”而且，平面结构在运输时节省空间，且可以在到达目的地后再组装成立体结构。类似这样的方法已经运用到航空航天事业上，例如，将一些物体转换成压缩状态进行运输。

4D打印已经运用在航空航天事业上。但是科学家们也在考虑将其运用在一些简单结构上，包括通风系统、阀门开关或是医疗用途，如血管支架。

目前，科学家们正在手动对这些结构重新配置。但是他们正致力于使创造出的结构能够靠温度驱动。他们还说，可以用气动管道(压缩空气)或膨胀材料来控制结构，这些材料能根据湿度变化形状。

本文译自 Science Daily，由 卤鸡爪子 编辑发布。