北京大学方岱宁院士课题组与佐治亚理工齐航教授课题组《AFM》：气动多材料4D打印形状记忆气球结构

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4D打印被用来制造具有动态变形或变形能力的智能结构，在制造时间和材料消耗方面相比3D打印更具吸引力。然而现有的4D打印方法难以制备出兼具复杂变形能力和优异力学性能的结构，严重制约其在工程应用领域的进一步发展。

近日，北京大学方岱宁院士课题组与佐治亚理工齐航教授课题组合作，提出了一种新的4D打印策略—气动多材料4D打印，该策略基于异质材料组成的空腔结构在充气载荷作用下发生不均匀鼓胀的原理，通过灰度光投影技术在空间内精确编程异质形状记忆材料的分布来调控充气后材料的局部拉伸和结构的三维构型。由于采用形状记忆材料，新的构型在升温后还可以回复到初始构型，且结构具有优异的力学承载性能。新的方法允许研究者们设计并制备出具有高度变形复杂性的结构，包括人脸状结构。该研究成果以Shape-Memory Balloon Structures by Pneumatic Multi-material 4D Printing为论文题目发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202010872)上。

图1. 气动多材料4D打印方法。(A) 灰度光投影打印异质材料空腔结构示意图；(B) 初始打印构型转变成预定义三维构型的热-气动训练过程示意图。

研究者们通过精心选取两种不同投影光等级，打印得到组成气球空腔结构的两种异质形状记忆材料。通过热-力学测试发现，两种材料的玻璃转化温度分别为60°C和83°C，且均具有优良的形状记忆效应。通过在常温(25°C)和高温(80°C)下的单轴拉伸测试发现，两种材料的模量比由室温下的4.5提高到高温下的61.3，力学性质差异发生了显著扩大，这为在高温下通过充气调控气球结构的变形提供了先决条件。

图2. 打印条件及材料力学性质表征。(A) 打印光能量与光亮度等级的关系；(B-F) 两种异质材料的热-力学性质表征；(G-H) 具有不同异质材料分布的空腔结构充气后形成不同构型

研究者们首先提出了一种以管状气球结构作为基本可变形单元的结构设计方法，有限元分析和实验发现，通过将管状变形单元中的材料分布设计成箍状，可以对单元折叠后的角度和朝向形成精确调控。基于管状可变形单元及其在空间内的几何延拓，研究者设计并制备了能够发生大幅膨胀和卷绕变形的结构，此外还设计了一种由初始二维构型变成狗状三维复杂构型的结构。

图3. 基于管状可变形单元的气动多材料4D打印设计方法及制备的结构。(A-C) 管状可变形单元的设计方法；(D-F) 基于管状可变形单元4D打印设计方法制备的结构变形后形成阀状，帐篷状或狗状。

这种新型的4D打印方法除了能够制造含有复杂三维构型的结构，还能够制备初始具有平坦表面一旦充气便能自动变成目标三维复杂曲面的创新构型。研究者们根据逆向设计方法，在一个平坦面内交替排布两种异质材料，通过设计异质材料复合的比例进而调控充气后面内的局部拉伸应变。基于此设计并制备了曲面轮廓类似于火山状和甜甜圈状的结构。为了展示新方法具有制备复杂曲面结构的能力，研究者通过设计实现了方形平面充气后变成人脸型，再现了目标曲面中眼部凹入和鼻梁凸出等多种曲面特征。

图4. 基于平面薄层可变形单元的气动多材料4D打印设计方法及制备的结构。(A-B) 平面薄层可变形单元逆向设计方法示意图；(C-E) 基于平面薄层可变形单元4D打印设计方法制备的平坦表面变形成甜甜圈状、火山状或人脸状轮廓。

论文第一作者为北京大学工学院博士生张强，通讯作者为方岱宁院士和佐治亚理工学院的齐航教授。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010872

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