近日，麻省理工学院（MIT）和新加坡科技设计大学（SUTD）的科学家们正在使用光固化技术来3D打印一种可以“记住”他们最初形状的结构。据悉，就算被拉伸、扭曲，甚至弯曲至极短的角度，这种结构——无论是小线圈、小花瓣、还是一英寸高的艾菲尔铁塔复制品——都会在被加热到一定温度后在数秒内弹回原来的形状。
对于一些结构，该研究者团队甚至能够打印出有一根头发丝直径那么大微米尺度特征——与其它研究团队3D打印的形状记忆材料相比，仅为后者的十分之一左右。该团队的这一研究成果已于本月早些时候被发表在了在线杂志《Scientific Reports》上。
据MIT机械工程系副教授方绚莱介绍说，这种能够对温度做出可预测的变形反应的形状记忆聚合物可用于一系列的应用，从可以将太阳能电池板转向太阳的软致动器到可以根据感染的初期症状自行打开的微小药物胶囊等。
“我们最终想要用人体的温度来作为一个触发器。”方教授称，“如果我们能适当地设计这些聚合物，就能够制造出只在出现发烧迹象时才释放药物的药物传递装置。”
方教授的合作者还包括前MIT-SUTD研究员、现SUTD副教授葛锜、前MIT助理研究员、现Rutgers 大学助理教授Howon Lee，以及来自SUTD和佐治亚理工学院的一些研究人员。
葛教授称，这种3D打印形状记忆材料的技术也可以被认为是4D打印，因为这种结构被设计为在第四个维度——时间——上变化。
据了解，形状记忆聚合物是一种非常有趣的材料，它们能够在两种状态之间进行切换——一种是更硬、低温和无定形状态，另一种则是柔软、高温和弹性状态。于是，处于弯曲和拉伸形状的这种材料可以在室温环境中被“冻住”，而在被加热时，这种材料会“想起”，然后回复到原来的坚固形式。
为了制造形状记忆结构，研究者们往往喜欢使用3D打印，因为这种技术使他们可以根据需要设计出具有较为精细细节的结构。不过，如果使用普通3D打印机的话，研究者们只能设计出具有几毫米细节特征的结构。方教授称，这就限制了材料回复到原来形状的速度。
“现实是，如果你能够以更小的尺寸将它们制造出来，这些材料的反应速度会非常快，可以在几秒内完成。”方教授说：“在自然界中，一朵花能够以毫秒为单位释放花粉，它之所以能够这么做，就是因为其驱动机构是微米级的。”
为了3D打印出具有更精细细节的形状记忆结构，方绚莱教授和他的同事们采用了一种被称为微型立体光刻（microstereolithography）的3D打印技术，研究人员首先使用CAD软件创建结构模型，然后将该模型划分为数以百计的切片，并通过投影仪以位图的形式投射到液态光敏树脂中，然后逐层固化成指定的3D对象。
然后，研究者通过研究科学文献找到了一种理想的聚合物组合来打造可用于该3D打印技术的形状记忆材料。他们选取了两种聚合物，一种由长链聚合物组成，另一种则更类似于比较硬的支架。当这两种材料混合在一起并固化后，就能够承受幅度很大的拉伸和扭曲而不会断裂。
更重要的是，在特定的温度范围内——40到180摄氏度——这种材料可以反弹到其最早3D打印的形状。
在试验中，研究团队使用微型光固化技术3D打印了各种结构，包括线圈、鲜花和微型埃菲尔铁塔等。方教授发现这些结构可以拉伸至其原有长度的三倍而不会断裂。但当它们被暴露在40至180温度范围内的热量之下时，只需几秒钟就会恢复到最初的形状。
“当我们使用可以支持更小像素尺寸的3D打印机是，看到了更快的响应速度。”方教授称：“如果我们将精度变得更小，就有可能将响应速度推进至毫秒级。”
为了展示形状记忆结构的一个简单应用，研究团队用该材料3D打印了一个小小的爪子。他们在这个爪子上装了一个把手，然后把爪子打开。当研究人员把温度升至40摄氏度以上时，该爪子就会收拢抓住其下面的对象。
“这个爪子是如何操纵软材料的一个很好的例子。”Fang教授说。“我们发现，它不仅能够拿起一个小小的螺栓，甚至能够抓起鱼蛋和柔软的豆腐。这种柔性的爪子是非常有用的。”
这项研究得到了SUTD数字制造和设计中心（DManD）和SUTD-MIT联合博士后项目的部分支持。
