智能4D打印生物复合材料：可编程变形的新前沿

来自 实验室仪器网

最近发表的一项研究介绍了一种4D打印方法，用于制造管状湿度响应致动器（称为元生物复合材料）。这些结构使用连续亚麻纤维(cFF)增强材料，可根据湿度改变形状。该研究探讨了如何设计和编程这些材料以实现受控结构驱动。

4D打印以3D打印为基础，使用能够随时间对环境变化作出反应的材料。湿态生物复合材料(HBC)是一种对湿度作出反应的4D打印材料。它们由天然纤维等可再生资源制成。

天然纤维既可充当传感器，又可充当执行器，有助于提高复合材料的机械性能。然而，由于天然纤维含有复杂的多糖成分，因此对水分敏感，一旦吸收水分，它们就会表现出由结构控制的较大吸湿膨胀。

本研究开发了一种4D打印管状生物复合材料，旨在实现精确的水分触发形状变化。目标是为太阳跟踪和自适应结构等应用创建可持续、可编程的执行器。

用于4D打印的cFF增强聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)长丝是通过共挤出生产的。然后使用定制的3D打印机制作样品，保持喷嘴温度为145°C，打印速度为6mm/s。长丝间距离设置为0.6mm，层高为0.3mm，以确保精确的结构形成。

为了分析内部结构，使用扫描电子显微镜(SEM)检查了样品的横截面。在暴露于湿气之前，样品在40°C的真空烤箱中干燥至少48小时。然后将它们放置在相对湿度(RH)为90%且温度为25°C的受控室中，以诱导湿气驱动的形状变化。

湿度敏感型太阳跟踪器的原型在具有透明壁的密封外壳中进行了测试，允许在约90%RH下观察形状变化。使用饱和硫酸钾(K2SO4)维持这种高湿度水平。在整个调节过程中进行重量测量，以跟踪样品吸收的水分含量。

在两种不同条件下评估了4D打印管状生物复合材料的驱动行为。在一种设置中，样品可以自由旋转，而在第二种设置中，它们的运动受到限制以测量产生的扭矩。这些测试共同提供了数据来计算4D打印管状元生物复合材料的能量密度并评估其机械性能。

研究人员成功开发出仿生、湿度敏感的旋转致动器，该致动器结合了仿生学和4D打印技术。管状元生物复合材料是根据植物纤维细胞壁的结构设计的，使其能够动态响应湿度变化。

定制的3D打印机能够制造出用cFF增强的管状生物复合材料。由于亚麻纤维的吸湿性及其显著的横向吸湿膨胀，这些材料对RH表现出很高的敏感性。

当暴露于90%RH时，执行器表现出旋转运动和扭矩。其性能受纤维倾斜角、管长、内径和厚度等结构参数的影响。

实验数据证实了高达29Nm/kg的比扭矩，凸显了它们与天然纤维相比增强的适用性。此外，4D打印提供的设计灵活性允许探索各种结构配置，并以响应性（扭矩和旋转）和反应性的形式实现广泛的驱动。

该研究还证实了这些生物复合材料在太阳跟踪应用中的潜力。用特定结构参数编程的样本在暴露于每日RH变化时表现出向日性行为。

本研究介绍了一种新型4D打印管状元生物复合材料，该复合材料使用可持续材料实现水分驱动的结构驱动。cFF/PBAT生物复合材料利用其高水分诱导变形能力来实现可编程的机械响应。

研究人员没有复制天然纤维的整个双层结构，而是通过专注于植物细胞壁的S2层来简化设计。这种方法提高了吸湿膨胀和扭曲行为之间湿-机械耦合的可编程性。

实验、分析和有限元建模证实了中观结构和几何参数对驱动性能的影响。研究结果表明扭矩和旋转之间保持平衡，能量密度与天然纤维细胞壁相当。这些结果凸显了4D打印生物复合材料在需要环境响应性材料的应用方面的潜力。

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