近日，南方科技大學(xué)（SUSTech）機械與能源工程系葛奇教授團(tuán)隊在可重構(gòu)4D打印技術(shù)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。他們開發(fā)出一種具有高機械性能的共價自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)形狀記憶聚合物（MRC-SMP），可用于數(shù)字光處理（DLP）高分辨率3D打印，成功實現(xiàn)了可重構(gòu)、大變形和高精度的4D打印。

這一研究成果以《通過機械穩(wěn)健協(xié)同自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)形狀記憶聚合物實現(xiàn)可重構(gòu)4D打印》為題，發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上。

研究亮點

傳統(tǒng)形狀記憶聚合物（SMPs）常用于4D打印，具有較高模量，但因多為熱固性材料，其形狀記憶特性局限于單一永久形狀。近年的研究嘗試將共價自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（CAN）引入SMPs，以實現(xiàn)多種永久形狀的可重構(gòu)性，但現(xiàn)有動態(tài)共價SMP在形狀記憶性能、變形與重構(gòu)能力以及高精度可打印性上難以兼顧。

圖 1. MRC-SMP 的可重構(gòu)、大變形和高分辨率 4D 打印

為解決這些問題，葛奇教授團(tuán)隊開發(fā)的MRC-SMP材料具有以下特點：

• 高機械性能：具備優(yōu)異的形狀記憶性能和大變形能力。
• 可重構(gòu)性：通過轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)實現(xiàn)永久形狀的重新配置。
• 高精度打?。褐С諨LP高分辨率打印技術(shù)。
  

創(chuàng)新成果

研究團(tuán)隊利用DLP打印技術(shù)，開發(fā)出具有顯著大變形行為和形狀記憶特性的MRC-SMP晶格結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)實現(xiàn)永久形狀的重構(gòu)，同時保持優(yōu)異的形狀記憶性能。

此外，該材料具備高強度焊接能力，能夠通過焊接與形狀重構(gòu)制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)。例如，通過焊接三個MRC-SMP晶格結(jié)構(gòu)和一個MRC-SMP連接器，形成了能夠抓取重物的機械抓手。抓手可通過形狀記憶過程從展開狀態(tài)恢復(fù)到抓取狀態(tài)，完成重物的舉升任務(wù)。

圖 2. 多材料可重構(gòu)形狀記憶折紙

團(tuán)隊還結(jié)合MRC-SMP的可重構(gòu)特性與多材料打印技術(shù)，快速制造出三維形狀記憶折紙結(jié)構(gòu)。以MRC-SMP作為變形鉸鏈，高強度光固化樹脂作為剛性表面，成功構(gòu)建出在室溫下具備高剛度并能承受重載的折紙結(jié)構(gòu)。

研究意義

這一成果展示了MRC-SMP在高精度制造與智能結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用潛力。不僅提升了4D打印的可應(yīng)用性，還大幅縮短了復(fù)雜形狀記憶結(jié)構(gòu)的制造時間，推動了形狀記憶材料在多領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

MRC-SMP的高溫變形性能和高精度打印能力，為機械結(jié)構(gòu)、智能設(shè)備等領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計提供了更多可能性，也為未來智能制造提供了更多靈感和技術(shù)支撐。

研究支持

該研究由國家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計劃、廣東省自然科學(xué)基金及深圳市科技創(chuàng)新委員會資助完成。論文的第一作者為SUSTech機械與能源工程系助理研究員李洪庚，葛奇教授為通訊作者。

近日，南方科技大學(xué)（SUSTech）機械與能源工程系葛奇教授團(tuán)隊在可重構(gòu)4D打印技術(shù)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。他們開發(fā)出一種具有高機械性能的共價自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)形狀記憶聚合物（MRC-SMP），可用于數(shù)字光處理（DLP）高分辨率3D打印，成功實現(xiàn)了可重構(gòu)、大變形和高精度的4D打印。

這一研究成果以《通過機械穩(wěn)健協(xié)同自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)形狀記憶聚合物實現(xiàn)可重構(gòu)4D打印》為題，發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上。

研究亮點

傳統(tǒng)形狀記憶聚合物（SMPs）常用于4D打印，具有較高模量，但因多為熱固性材料，其形狀記憶特性局限于單一永久形狀。近年的研究嘗試將共價自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（CAN）引入SMPs，以實現(xiàn)多種永久形狀的可重構(gòu)性，但現(xiàn)有動態(tài)共價SMP在形狀記憶性能、變形與重構(gòu)能力以及高精度可打印性上難以兼顧。

圖 1. MRC-SMP 的可重構(gòu)、大變形和高分辨率 4D 打印

為解決這些問題，葛奇教授團(tuán)隊開發(fā)的MRC-SMP材料具有以下特點：

• 高機械性能：具備優(yōu)異的形狀記憶性能和大變形能力。
• 可重構(gòu)性：通過轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)實現(xiàn)永久形狀的重新配置。
• 高精度打?。褐С諨LP高分辨率打印技術(shù)。
  

創(chuàng)新成果

研究團(tuán)隊利用DLP打印技術(shù)，開發(fā)出具有顯著大變形行為和形狀記憶特性的MRC-SMP晶格結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)實現(xiàn)永久形狀的重構(gòu)，同時保持優(yōu)異的形狀記憶性能。

此外，該材料具備高強度焊接能力，能夠通過焊接與形狀重構(gòu)制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)。例如，通過焊接三個MRC-SMP晶格結(jié)構(gòu)和一個MRC-SMP連接器，形成了能夠抓取重物的機械抓手。抓手可通過形狀記憶過程從展開狀態(tài)恢復(fù)到抓取狀態(tài)，完成重物的舉升任務(wù)。

圖 2. 多材料可重構(gòu)形狀記憶折紙

團(tuán)隊還結(jié)合MRC-SMP的可重構(gòu)特性與多材料打印技術(shù)，快速制造出三維形狀記憶折紙結(jié)構(gòu)。以MRC-SMP作為變形鉸鏈，高強度光固化樹脂作為剛性表面，成功構(gòu)建出在室溫下具備高剛度并能承受重載的折紙結(jié)構(gòu)。

研究意義

這一成果展示了MRC-SMP在高精度制造與智能結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用潛力。不僅提升了4D打印的可應(yīng)用性，還大幅縮短了復(fù)雜形狀記憶結(jié)構(gòu)的制造時間，推動了形狀記憶材料在多領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

MRC-SMP的高溫變形性能和高精度打印能力，為機械結(jié)構(gòu)、智能設(shè)備等領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計提供了更多可能性，也為未來智能制造提供了更多靈感和技術(shù)支撐。

研究支持

該研究由國家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計劃、廣東省自然科學(xué)基金及深圳市科技創(chuàng)新委員會資助完成。論文的第一作者為SUSTech機械與能源工程系助理研究員李洪庚，葛奇教授為通訊作者。