瑞士科学家成功在5D设计空间内3D打印出复杂结构

近日，苏黎世联邦理工学院研究复杂材料的科学家们开发出了一种3D打印方法，可用来设计具有精制微观结构特征的复合材料。在此之前，这种结构特征只会出现在自然生长的生物材料中。利用他们称之为“多材料磁力辅助3D打印系统（MM-3D printing），研究团队已经具备了超越常规3D成型的能力，甚至可以说进入了5D设计领域，因为他们的这项技术有能力令多功能的变形柔性装置成为现实，而这类装置可以用于制造类似人体肌腱或者肌肉结构的机械连接系统，或是柔性机器人的选择性抓取-放置系统等。

研究人员表示，如果能将多种材料融合到一个3D打印对象的单一几何结构中，就有可能创造出动态可编程的物体 — 这种可能性我们已经看到了，比如使用加载了阴极和阳极材料的油墨可实现锂离子微电池的直接布线；或者将细胞与生物相容性水凝胶相结合以探索组织再生等等。在实现方法上，这些3D打印的设计与自然界中活细胞生长出生物材料的方式类似，但直到现在，他们在复杂度上也无法达到后者的水平。“与常规的3D打印技术相比，活细胞具有独立的局部组成和纹理控制。这至少为它们提供了额外的两个自由度。”研究者们解释说。

于是，受到在自然材料中发现的多种结构的启发 ，研究者们设计了“一种可以在5D设计空间内编程并制造合成微结构的3D打印方法。”在这里，所谓的5D设计空间指的是除了3D打印的成型能力之外，再加上对合成物本身的控制（+1D）和粒子取向向（+1D）。

由3DDiscovery公司regenHU改装成的MM-3D打印平台

到目前为止，我们已经接触到了一些4D打印的技术，比如那些使用3D打印的形状记忆高分子材料创建的自折叠结构等，而现在，为了实现更高级的“5D可编程性”，研究人员先是开发了一种由其中悬浮有磁感应粒子的液态光敏树脂制成的特殊墨水，然后使用了一台改装的商业3D打印机（3DDiscovery公司的regenHU）实现了这种墨水的沉积。

据中国3D打印第一互动媒体平台南极熊了解，这款特制的3D打印机配备了四个可独立寻址定位的注射器（每个注射器都可盛放不同配方的墨水），还安装了一个由两个部件组成的混合分配单元。该单元的作用是逐渐改变油墨的组成。至于研究中使用的墨水，则是两种具有不同流变特性的墨水：具有粘弹性的“成型”墨水，用于生成外围；低粘度的“纹理”墨水，用于轮廓内的打印。

为了证明自己可通过MM-3D打印平台实现定向、复合和形状控制的能力，研究人员打印出了一个在自然界中绝不存在的具有复杂形状和非均质精细微结构的3D物体 — 螺旋（见上图）。该物体的外部是各种不同的凸起和凹陷曲面，其内部则是一种由片状结构组成的螺旋楼梯结构，从底部一直延伸到顶部。整个物体高度仅18毫米，圆形底座直径16毫米，顶部直径为10毫米，总共由60个圆形层组成。这种极其复杂的小尺寸3D打印物体代表着一种更加先进的人造物体。与之前的研究成果相比，它更加接近生物材料和植物系统中那种丰富、复杂、高效的几何形式。

目前，研究者们已经能使用这种3D打印平台创造出柔性的机械紧固零件和3D形变的钥匙-锁连接器了。“可以设想的功能还有许多，而我们提供的实例是利用这种非均质的复合材料来制造通过特殊原理工作的柔性机械紧固件。这种结构不需任何化学粘合，而只需要紧固系统预编程的形状变化带驱动的部件之间的机械互锁。”

这种奇特的紧固系统可用于创建类似人体肌腱或者肌肉的机械连接系统，而另一种钥匙-锁连接器则可用于自动触发的灵活关节以及柔性机器人的选择性抓取-放置系统等。

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南极熊，中国3D打印第一互动平台。