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3、4D打印技術(shù)國內(nèi)初步研究進(jìn)展

 西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實驗室對4D打印技術(shù)進(jìn)行了初步研究。

 課題組研究利用熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）3D打印技術(shù)制造IPMC智能材料。常規(guī)熔融沉積成型工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)，逐點(diǎn)累加固化形成三維實體結(jié)構(gòu)。課題組將Nafion顆粒狀材料利用熱擠塑技術(shù)制備出Nafion絲材，通過調(diào)整噴頭溫度將Nafion絲材融化擠出，根據(jù)所需的三維實體結(jié)構(gòu)逐點(diǎn)累加固化成型。之后將制備出的Nafion三維實體結(jié)構(gòu)通過浸泡還原鍍、化學(xué)鍍和電度的方法在Nafion材料表面制備金屬電極。目前，課題組還在研究利用導(dǎo)電聚合物以及水凝膠與導(dǎo)電顆粒混合體作為IPMC電極材料，這兩種材料不僅在模量強(qiáng)度上與Nafion材料接近，能夠有效提高IPMC的使用壽命，而且通過調(diào)整這兩種材料的流動性可以進(jìn)行擠出成型，這樣IPMC的電極材料同樣可以通過3D打印技術(shù)制備。通過熔融沉積成型3D打印技術(shù)分別逐層固化導(dǎo)電聚合物/導(dǎo)電水凝膠電極材料、Nafion基體材料、導(dǎo)電聚合物/導(dǎo)電水凝膠電極材料，可以實現(xiàn)任意復(fù)雜形狀I(lǐng)PMC結(jié)構(gòu)的直接3D打印制造。利用3D打印技術(shù)制備的IPMC，在IPMC兩側(cè)電極加載電壓時，IPMC會發(fā)生彎曲變形，且達(dá)到了較好的工作穩(wěn)定性和較長的工作壽命，3D打印技術(shù)制造的IPMC智能材料結(jié)構(gòu)在加載電壓下可以隨著時間實現(xiàn)形狀結(jié)構(gòu)的變化，即IPMC材料的4D打印技術(shù)。采用4D打印技術(shù)制備出的IPMC盡管在性能上與傳統(tǒng)方法制備出的IPMC有差距，但是該種方法可以制備出任意復(fù)雜形狀的IPMC三維結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)制備方法只能制備片狀I(lǐng)PMC的困難。

 課題組對DE材料的3D打印技術(shù)也進(jìn)行了研究。DE基體材料采用可熱固化的硅膠，液體硅膠從噴頭噴射到工作平臺上之后通過調(diào)節(jié)工作平臺的溫度加快液體硅膠的固化速度，電極材料采用可熱固化的硅膠材料與導(dǎo)電顆粒混合物，逐點(diǎn)累加固化電極材料-基體材料-電極材料實現(xiàn)DE

材料的3D打印制造。利用3D打印技術(shù)制造的DE材料在兩側(cè)電極加載電壓后，隨著時間可發(fā)生厚度方向的收縮和平面面積的擴(kuò)張變形，實現(xiàn)DE材料的4D打印技術(shù)。DE材料的4D打印技術(shù)為今后制造任意復(fù)雜形狀DE智能材料結(jié)構(gòu)與柔性機(jī)器人的發(fā)展起到重要推進(jìn)作用。

 課題組進(jìn)一步研究了形狀記憶聚合物(SMP)的3D打印技術(shù)。利用熔融沉積成型(FDM)3D打印技術(shù)，SMP材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭將熔

化的材料擠出，材料冷卻逐點(diǎn)累加固化形成任意形狀SMP三維實體結(jié)構(gòu)。采用3D打印技術(shù)制造的SMP智能材料結(jié)構(gòu)，具有形狀記憶功能，通過調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，SMP智能結(jié)構(gòu)可隨著時間發(fā)生形狀結(jié)構(gòu)的變化，實現(xiàn)SMP材料的4D打印技術(shù)。

 課題組將自主研發(fā)的IPMC、DE和SMP材料的4D打印技術(shù)應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)器械多自由度操作臂的制造研究中。多自由度操作臂是微創(chuàng)技術(shù)未來發(fā)展的研究難點(diǎn)，目前大多數(shù)操作臂研究圍繞機(jī)械傳動與驅(qū)動的傳遞方式展開，主要特點(diǎn)是直臂加關(guān)節(jié)來實現(xiàn)分段彎曲和操作功能。基于智能材料結(jié)構(gòu)的柔性操作臂可以設(shè)計成分段電極控制變形，實現(xiàn)機(jī)械關(guān)節(jié)的功能。電極施加電壓，作用在智能材料上，可實現(xiàn)操作臂的多自由度彎曲和轉(zhuǎn)向。這一方法將傳統(tǒng)的機(jī)械關(guān)節(jié)改為通過電場對智能材料性能的控制，有可能成為一種剛?cè)嵯酀?jì)的操作臂柔性控制方法。

 課題組目前正在研究利用IPMC和SMP的4D打印技術(shù)直接制造成型柔性手術(shù)操作臂。采用4D打印技術(shù)將柱狀I(lǐng)PMC與SMP管結(jié)合形成柔性操作臂(圖13)，通過控制4D打印技術(shù)制造的IPMC彎曲驅(qū)動操作臂的多自由度彎曲，4D打印技術(shù)制造的SMP實現(xiàn)操作臂的剛度可控。利用IPMC的4D打印技術(shù)，逐點(diǎn)累加固化制造柱狀I(lǐng)PMC(圖14)，柱狀I(lǐng)PMC擁有四個電極，通過控制不同電極加載電壓方式，可實現(xiàn)柱狀I(lǐng)PMC沿八個方向的多自由度彎曲。利用SMP的4D打印技術(shù)逐層固化制造SMP管，SMP管設(shè)計有四個方形孔洞可以用來與4D打印制造的IPMC柱狀驅(qū)動器組合，構(gòu)成如圖14所示的柔性機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。柔性操作臂的剛度控制應(yīng)用的是SMP管的剛度可控功能，4D打印制造的SMP管在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上時剛度很小，通過控制多個柱狀I(lǐng)PMC的彎曲實現(xiàn)柔性機(jī)械臂的彎曲，彎曲變形達(dá)到指定工作位置時，將SMP管的溫度降到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，這時SMP管剛度大幅度增大，將柔性機(jī)械臂固定在指定位置，支持通過操作臂內(nèi)部的醫(yī)療工具的手術(shù)操作。課題組目前還在研究利用DE材料和SMP的4D打印技術(shù)結(jié)合，逐層固化實現(xiàn)柔性機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。

 采用新智能材料制造微創(chuàng)手術(shù)操作臂是減少傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)體積，實現(xiàn)智能材料與復(fù)雜機(jī)構(gòu)結(jié)合的應(yīng)用點(diǎn)，是制造技術(shù)發(fā)展的新挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的機(jī)械制造多是機(jī)械結(jié)構(gòu)件的加工和裝配，新的智能驅(qū)動材料與可變剛性材料將改變過去的剛體結(jié)構(gòu)件設(shè)計方式，以軟體功能材料為主體，設(shè)計制造具有多自由度和剛度可控的柔性結(jié)構(gòu)體。利用智能材料的4D打印技術(shù)制造智能材料結(jié)構(gòu)，突破過去微創(chuàng)手術(shù)器械的單一材料和剛性結(jié)構(gòu)，滿足表面柔性、機(jī)構(gòu)剛性、物理特性和抗菌特征的新一代微創(chuàng)手術(shù)器械需求。課題組將IPMC、DE和SMP智能材料4D打印制造技術(shù)應(yīng)用于柔性操作臂的研究，將改變過去“機(jī)械傳動+電機(jī)驅(qū)動”的模式，走向智能材料的原位驅(qū)動模式，不再受機(jī)械結(jié)構(gòu)體運(yùn)動的自由度約束，可以實現(xiàn)連續(xù)自由度和剛度可控功能，同時自身重量也會大幅度降低。智能材料結(jié)構(gòu)的4D打印技術(shù)將會對柔性機(jī)械的研究和發(fā)展起到重要的推進(jìn)作用。

4、4D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢

 4D打印技術(shù)及其在智能材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究尚處于起步階段。但是，其研究和發(fā)展應(yīng)用將對傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造帶來深遠(yuǎn)的影響。這一發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下方面。

 （1）4D打印智能材料，將改變過去“機(jī)械傳動+電機(jī)驅(qū)動”的模式。目前的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要是機(jī)械傳動與驅(qū)動的傳遞方式，未來走向功能材料的原位驅(qū)動模式，不再受機(jī)械結(jié)構(gòu)體運(yùn)動的自由度約束，可以實現(xiàn)連續(xù)自由度和剛度可控功能，同時自身重量也會大幅度降低。

 （2）4D打印技術(shù)制造驅(qū)動與傳感一體化的智能材料結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)智能材料的驅(qū)動與傳感性能融合。EAP材料具有良好的驅(qū)動性能和傳感性能，即在電場作用下可以發(fā)生形變，而且隨著其變形可以輸出電壓電流信號。課題組將EAP材料的驅(qū)動性能與傳感性能結(jié)合，利用4D打印技術(shù)制造驅(qū)動與傳感一體化的微創(chuàng)手術(shù)柔性操作臂，操作臂既可以通過電場驅(qū)動智能材料變形實現(xiàn)操作臂彎曲，同時又可以在彎曲變形過程中通過智能材料的傳感信號控制操作臂精確適當(dāng)變形而不傷害到人體組織，解決了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)器械由于缺乏傳感功能而在變形過程中對人體造成損傷的問題。

 （3）研究發(fā)展多種適用于4D打印技術(shù)的智能材料，對不同外界環(huán)境激勵產(chǎn)生響應(yīng)，響應(yīng)變形的形式更多樣化。目前4D打印智能材料的激勵方式和變形形式比較局限，Skylar Tibbits等目前正在研究開發(fā)可以對振動和聲波產(chǎn)生響應(yīng)的智能材料4D打印技術(shù)，隨著4D打印智能材料的多樣化，4D打印技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛。