依環境條件自動變形 蝙蝠俠劇情可望成真 4D列印 披風秒變滑翔翼

編譯/韋士塔 |2021.09.18
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4D列印的纖維,可製作能適應各種氣候的服裝。 圖/網路

編譯/韋士塔

3D列印技術日益進步,應用範圍也愈來愈廣泛,包括航太、汽車、模具、醫療、玩具、服飾配件甚至藝術文創;如今,科學家正尋求進一步的突破,以4D列印技術繼續改變物品製造流程,顛覆各個領域。

3D列印是指平面列印時加入第三維(3D)的方向,讓列印成品層層堆疊成立體的型態。4D列印則是一種特殊的結構,能夠依據環境中的溼度或溫度等條件,自動改變自身狀態。

美國萊斯大學(Rice University)的研究人員已開發一種4D列印技術,以聚合物為列印材料,成品在通電、加熱、降溫時會改變形狀。不過,研究團隊目前遇到的瓶頸是,這種能夠變形的材質無法持續維持特定形狀,須搭配固定的框架使用,使用途受限。

麻省理工學院(MIT)的研究團隊也正在這個領域尋求創新,他們已設計一種平面結構,能形成過去4D印技術無法產生的複雜結構,例如球狀、圓弧甚至人臉。這項研究結果,已發表於《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

研究人員解釋,4D列印技術,本質上就是3D列印技術搭配特定的材料與結構設計;3D結構成型後仍為靜態,但若能在環境作用下隨時間的經過而變形,就跨入4D(時間)領域。

MIT的機械工程師里斯(Wim Van Rees)以橡膠材料列印出網格構造,這些網格會隨溫度升高而膨脹,中間的空隙則提供材料變形的空間。研究團隊再利用演算法設計出最合適的網格架構,未來將可利用這種技術開發出能自行搭建和收納的帳篷、變型望遠鏡頭、支架、人造組織支架,甚至是仿生機器人。

加州理工學院機械工程和應用物理學教授達萊歐(Chiara Daraio)指出,4D列印技術,有可能讓科幻電影中的場景成為現實。例如,蝙蝠俠的披風看來柔軟,卻能在必要時硬化成為滑翔翼。

達萊歐指出,研究團隊正設法在現實世界中複製這種神奇的工程技術,設計靈感來自鏈甲。達萊歐表示,他們以4D技術列印的材料,只要施加壓力就能從流體狀態變成特定的固體形狀。研究人員初步的構想是把這項技術應用來製造智慧纖維,製作可當成外骨骼的設備,甚至還能製造骨折時可使用的模具,協助把骨骼固定在需要的位置。

達萊歐表示,研究團隊列印出各式各樣的鏈結結構,並進行測試,發現八邊形鏈節的架構最具靈活性,可變化出各種形狀,且在承受壓力時的載重力最高。以這種架構製造的纖維,能承受50倍的重量。

達萊歐,4D列印的新材料也可製造能適應各種氣候的纖維,這種纖維遇冷收縮,遇熱伸長,能應對氣溫變化;汽車也是這種材料的應用領域,例如可變形的碳纖維尾翼,可在受熱或遇水時變形,不僅有助提升車速和操控性,還能改善行車安全。

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