受薯蕷纏繞生長(zhǎng)機(jī)制啟發(fā)，科學(xué)家4D打印出新型仿生腕部夾板

導(dǎo)讀：2021年8月7日，南極熊獲悉，來(lái)自弗萊堡大學(xué)和斯圖加特大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新型的4D打印可穿戴醫(yī)療設(shè)備的方法，該設(shè)備可根據(jù)患者的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行自我調(diào)整。研究團(tuán)隊(duì)受薯蕷植物（Dioscorea bulbifera，一種纏繞草質(zhì)藤本）繁殖機(jī)制的啟發(fā)，聯(lián)想到打印的系統(tǒng)可以預(yù)先編程，以便在接觸到水分時(shí)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。他們已經(jīng)利用該方法4D打印了一個(gè)自緊式矯形手腕夾板，打印夾板可以自行纏繞在病人的手臂上。

本項(xiàng)研究的共同作者Tiffany Cheng在《Materials Today》上的論文中解釋說(shuō)："我們展示了如何將生物學(xué)的功能和結(jié)構(gòu)原理轉(zhuǎn)移到技術(shù)材料系統(tǒng)。這項(xiàng)工作也在擴(kuò)展仿生解決方案的設(shè)計(jì)空間和可調(diào)功能方面邁出了重要一步"。

△4D打印的腕部夾板。圖片來(lái)自弗萊堡大學(xué)

受生物啟發(fā)誕生的4D打印

當(dāng)一個(gè)3D打印結(jié)構(gòu)的形狀被設(shè)計(jì)成隨著時(shí)間的推移而變形時(shí)，它被稱為4D打印。這些幾何形狀的轉(zhuǎn)變可以通過(guò)任何方式誘導(dǎo)，其中最常見的是電刺激、熱和水分。許多4D打印對(duì)象都是預(yù)先編程的，使用智能放置的層和褶皺來(lái)變形，可以收縮和膨脹以達(dá)到預(yù)期的效果。

順便說(shuō)一句，我們可以從大自然中汲取靈感，學(xué)習(xí)很多關(guān)于4D打印系統(tǒng)的知識(shí)。畢竟，進(jìn)化至今的生物是現(xiàn)實(shí)中最好的設(shè)計(jì)師之一。

在這種情況下，弗萊堡團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了薯蕷，一種能夠通過(guò)纏繞在宿主的樹干上爬樹的藤蔓植物。薯蕷長(zhǎng)出被稱為托葉的外植體，有助于拉緊纏繞的莖，并對(duì)宿主植物產(chǎn)生擠壓力。這使薯蕷能夠在其宿主上工作，使其更接近生長(zhǎng)所需的陽(yáng)光。

△薯蕷皂角的特點(diǎn)是纏繞莖，有離散的托葉，這些托葉擴(kuò)展后在莖和其支撐物之間產(chǎn)生間隙，從而使莖處于緊張狀態(tài)

4D打印可自動(dòng)鎖緊的手腕夾板

為了模仿薯蕷的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，研究人員采用了一種計(jì)算設(shè)計(jì)策略，即有選擇地將"彎曲線"打印到夾板本身的幾何形狀中。就像一張紙上的折痕一樣，這些彎曲線的設(shè)計(jì)是為了確定夾板在暴露于濕氣時(shí)如何、在哪里以及彎曲到什么程度。

材料的選擇在這里也很關(guān)鍵，因?yàn)橹挥袑?duì)水分有反應(yīng)的材料才有可能啟動(dòng)夾板。為此，研究團(tuán)隊(duì)必須使用一種能夠輕松吸收和釋放水分的木材聚合物復(fù)合材料。

打印的結(jié)構(gòu)還包括幾個(gè)膨脹和穩(wěn)定層，它們與彎曲線一起工作，以實(shí)現(xiàn)類似于螺旋線的卷曲形式。此外，研究小組在夾板表面打印了口袋，這些口袋的作用是將螺旋線向外推，在設(shè)備中產(chǎn)生張力，最終導(dǎo)致整個(gè)夾板的收縮。這使該裝置能夠收緊佩戴者的手臂，以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的緊密貼合，為手腕提供支持。

本項(xiàng)研究的結(jié)論是："通過(guò)用一個(gè)普通矯形器的工作原型來(lái)證明這個(gè)概念，我們?cè)O(shè)想這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程可能使醫(yī)學(xué)專家能夠在沒(méi)有任何數(shù)字建模專業(yè)知識(shí)的情況下，對(duì)自我調(diào)整的矯形器進(jìn)行物理設(shè)計(jì)、原型制作和定制安裝。"

這項(xiàng)研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為 "Bio-Inspired MotionMechanisms: Computational Design and Material Programming of Self-Adjusting4D-Printed Wearable Systems"的論文中找到。它是由TiffanyCheng, Marc Thielen等人共同撰寫的。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202100411

△腕部夾板能夠適應(yīng)性地收緊佩戴者的手腕。圖片來(lái)自弗萊堡大學(xué)

4D打印的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了醫(yī)療領(lǐng)域，這項(xiàng)新興技術(shù)也可以被很好地應(yīng)用到軟體機(jī)器人和電子技術(shù)當(dāng)中。例如，來(lái)自瑞典林雪平大學(xué)的一個(gè)研究小組之前已經(jīng)使用定制的基于擠壓的3D打印機(jī)4D打印了一套用于軟體微機(jī)器人的微執(zhí)行器。雖然4D打印的軟體機(jī)器人通常被限制在厘米或毫微米級(jí)，但該團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒋蛴≡O(shè)備縮小到微米級(jí)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)約20微米的厚度。

最近，德國(guó)電子3D打印公司NeotechAMT宣布了一個(gè)由歐盟支持的新的Penta項(xiàng)目AMPERE，該項(xiàng)目旨在開發(fā)可靠和可擴(kuò)展的混合增材制造工藝，以生產(chǎn)多功能4D機(jī)電系統(tǒng)。該項(xiàng)目將專注于加速4D制造，以加快照明、信號(hào)和電力電子等智能系統(tǒng)的可靠生產(chǎn)。