弗莱堡大学和斯图加特大学的研究人员开发了一种使用标准 3D 打印机生产可移动、自调整材料系统的新工艺。这些系统可以以预先编程的方式在水分的影响下经历复杂的形状变化、收缩和膨胀。科学家们根据被称为空气马铃薯(Dioscoreabulifera)的攀缘植物的运动机制模拟了它们的发育。

使用他们的新方法，该团队生产了第一个原型：一种适应佩戴者的前臂支架，可以进一步开发用于医疗应用。该流程由 Tiffany Cheng 和来自斯图加特大学计算设计与施工研究所 (ICD) 和卓越建筑集群综合计算设计与施工 (IntCDC) 的 Tiffany Cheng 教授和 Achim Menges 教授合作开发，以及来自弗莱堡大学植物生物力学小组和生命、适应性和能源自主材料系统卓越集群 (livMatS) 的 Thomas Speck 教授。研究人员正在高级科学杂志上展示他们的结果。

4D打印定义形状变化

3D 打印已成为广泛应用的制造工艺。它甚至可以用于生产智能材料和材料系统，这些材料和材料系统在打印后保持运动状态，可根据光、温度或湿度等外部刺激自主改变形状。这种所谓的 4D 打印，可以通过刺激触发预定的形状变化，极大地扩展了材料系统的潜在应用。这些形状的变化是由材料的化学成分实现的，这些材料由刺激响应聚合物组成。然而，用于生产此类材料系统的打印机和基础材料通常高度专业化、定制化且价格昂贵——直到现在。

现在，使用标准 3D 打印机，可以生产对水分变化做出反应的材料系统。考虑到它们的结构，这些材料系统可以在整个系统中或只是在单个部件中发生形状变化。弗莱堡大学和斯图加特大学的研究人员将多个膨胀和稳定层结合起来，实现了一个复杂的运动机制：一种通过展开“口袋”作为加压器来拉得更紧的盘绕结构，当“口袋”松开时，它可以自行再次放松并且盘绕结构返回打开状态。

转移到技术材料系统的自然运动机制

对于这个新过程，科学家们使用了一种来自大自然的机制：空气马铃薯通过对寄主植物的树干施加压力来爬树。为此，植物首先松散地缠绕在树干上。然后它会发芽“托叶”，即叶子的基部生长物，这增加了缠绕茎和寄主植物之间的空间。这会在空气马铃薯的缠绕茎中产生张力。为了模仿这些机制，研究人员通过构造其层来构建模块化材料系统，使其可以向不同方向和不同程度弯曲，从而卷曲并形成螺旋结构。表面上的“口袋”导致螺旋被向外推并处于张力下，从而导致整个材料系统收缩。

“到目前为止，我们的工艺仍然仅限于对水分做出反应的现有基础材料，”Achim Menges 说。“我们希望，”Thomas Speck 补充道，“在未来，能够对其他刺激做出反应的廉价材料将可用于 3D 打印，并可用于我们的工艺。”

弗莱堡大学生命、适应性和能源自主材料系统卓越集群 (livMatS) 的研究人员正在开发受自然启发的栩栩如生的材料系统。就像生命结构一样，它们可以自主适应不同的环境因素，从环境中产生清洁能源，不受损坏或可以自我修复。尽管如此，这些材料系统将是纯粹的技术对象，因此它们可以使用合成方法生产并部署在极端条件下。