德克萨斯大学：利用数字光4D打印方法制造类人工生命材料

图为Kyungsuk Yum在实验室中制造出类人工生命材料 图片来源：德克萨斯大学阿灵顿分校

生物体扩张和收缩软组织以实现复杂的三维运动和功能，但用人造材料复制这些运动已被证明是具有挑战性的。

德克萨斯大学阿灵顿分校的研究人员最近在Nature Communications上发表了一项开创性研究，该研究显示了寻找解决方案的希望。

UTA（德克萨斯大学阿灵顿分校的英文缩写）的材料科学与工程系助理教授Kyungsuk Yum和他的博士生Amirali Nojoomi已经开发出一种方法，通过该方法可以对二维水凝胶进行编程，以控制空间和时间的方式进行扩展和收缩。使得它们的表面形成复杂的三维形状和运动。

这个过程可能会改变软工程系统或设备的设计和制造方式。该技术的潜在应用包括生物启发的软机器人，人造肌肉 — 这些软材料可以改变它们的形状，或者像肌肉那样响应外部信号而移动 — 以及可编程物质。该概念也适用于其他可编程材料。

“我们研究了生物有机体如何使用连续可变形的软组织（如肌肉）来制作形状、改变形状和移动，因为我们有兴趣使用这种方法来创建动态的三维结构。”Yum说。

他的方法使用温度敏感的水凝胶，具有局部度温度的肿胀和收缩率。这些特性允许Yum使用他开发的包括三维和时间的数字光4-D打印方法在空间上编程水凝胶如何膨胀或收缩来响应温度变化。

使用这种方法，Yum可以在一步过程中同时打印多个3-D结构。然后，他通过数学方法对结构的收缩和膨胀进行编程形成三维形状，如马鞍形状，褶皱和锥形体以及这些三维形状的方向。

他还开发了基于模块化概念的设计规则，以创建更复杂的结构，包括具有编程顺序运动的生物激发结构。这使得形状是动态的，从而使得它们可以在空间中移动。他还可以控制结构来改变形状的速度，从而创建复杂的连续运动，例如黄貂鱼如何在海洋中游动。

与传统的增材制造不同，我们的数字光4-D打印方法允许我们同时打印多个定制设计的3-D结构。最重要的是，我们的方法非常快，打印时间不到60秒，因此具有高度可扩展性。