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  外部刺激下的變形行為是自然界中有趣且與其生物功能息息相關(guān)的現(xiàn)象，如含羞草在觸碰下的收縮，松果在濕度下的開合以及毛膏菜在激素刺激下的葉片卷曲等。因此，基于外部刺激下的變形行為研究引起了廣泛的關(guān)注。目前，變形器件的主要難點(diǎn)為響應(yīng)性材料以及器件的構(gòu)筑方法。近年來，水凝膠的快速發(fā)展使其在變形器件上獲得了廣泛的應(yīng)用。但在構(gòu)筑方法上，很多都是以響應(yīng)層-非響應(yīng)層結(jié)合、通過多步組裝來制備。并且在變形方面，目前的研究還停留在從二維平面向三維立體結(jié)構(gòu)的變形，無法實(shí)現(xiàn)從三維向更加復(fù)雜三維形態(tài)的變化，限制了變形器件的發(fā)展。3D打印作為新興的先進(jìn)制造技術(shù)，具有精確構(gòu)筑、自由設(shè)計(jì)以及一步成型的特點(diǎn)，因此，將其應(yīng)用在水凝膠變形器件，能夠充分發(fā)揮其在微結(jié)構(gòu)制備方面的優(yōu)勢。

  中科院蘭州化學(xué)物理研究所王曉龍研究員團(tuán)隊(duì)采用數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)，通過在一側(cè)構(gòu)筑不對稱的微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了濕度刺激下的變形水凝膠材料和器件。以打印的樣條為例（圖1），通過在其表面一側(cè)構(gòu)筑垂直或傾斜于長度方向微溝槽，樣條能夠?qū)崿F(xiàn)快速的彎曲或螺旋，更為重要的是這種彎曲或螺旋變形是可設(shè)計(jì)和控制的。

圖1. DLP 3D打印可控形變水凝膠示意圖

  如圖2所示，利用3D打印在自由設(shè)計(jì)和成形方面的優(yōu)勢，打印成形件在濕度刺激下能夠?qū)崿F(xiàn)從一維樣條向三維類石斛蘭花朵的形態(tài)轉(zhuǎn)變，或從二維的平面花朵向三維風(fēng)車的形態(tài)轉(zhuǎn)變，或從三維八爪柱狀體向更加復(fù)雜的三維八爪魚或水輪機(jī)的形態(tài)轉(zhuǎn)變，充分表現(xiàn)了采用3D打印靈活設(shè)計(jì)復(fù)雜可控變形器件的能力。更為重要的是，該變形器件的設(shè)計(jì)理念和方法具有良好的通用性和兼容性，可推廣至多種光固化打印的水凝膠體系。如采用加入溫敏性的2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯(MEO2MA)的前驅(qū)體材料，3D打印的抓取器能夠在溫度刺激下實(shí)現(xiàn)水下的快速抓取、輸運(yùn)與釋放功能。研究者相信，這種采用3D打印實(shí)現(xiàn)單一水凝膠材料復(fù)雜但精確可控變形的方法對拓展3D打印在軟機(jī)器人、智能器件方面的應(yīng)用具有重要的意義。

圖2. 3D打印水凝膠實(shí)現(xiàn)復(fù)雜但精確可控變形

  相關(guān)工作發(fā)表在Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201800713)上，王曉龍研究員為唯一通訊作者，博士研究生姬忠瑩為第一作者。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admt.201800713