来自乔治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）和新加坡科技设计大学（Singapore University of Technology and Design (SUTD)）的研究人员证实了，3D打印技术能够用于制造复杂的自折叠结构。

折叠箱，模拟邮筒。采用温水罐为材料提供均匀加热，即可完成折叠。

图片来源：Qi Laboratory

采用对温度有不同响应的智能形状记忆材料作为组件。

该团队展示的4D技术可用于组件自折叠3D结构。

这些组件可对刺激（如湿度、温度或光）产生反应，适用于生产可展开的医疗设备、玩具、太空结构、机器人等多种结构。

研究团队选用智能形状记忆高分子（SMPs）进行研究，形状记忆高分子能够记住一种形状，并在均匀受热过程中转换成另一种规定形状。

在3D物体上印刷具有不同动力学性能的材料，使那些具有形状改变能力的物体在一段时间内连续变化。

加热这些组件，每一个SMP以不同的速率和时间来改变其形状。记录下这些变化所花的时间，就可能设计出自组装的3D物体。通过3D打印含有不同数量的SMPs图案，可制得自组装结构。

采用3D打印机来打印图案。在相同的刺激下，这些平面组件具有不同的反应时间。之前的技术需要对平面组件预先设定的位置施加不同程度的加热，从而刺激形状改变。

“之前制备连续形状变化组件需要在组件的特定位置放置多个加热器，接着控制每个加热器的开关时间。这种早期的方法需要控制整个组件的加热情况，浪费空间和时间，也相当复杂。我们使用更容易控制的空间均匀温度，接着通过分子设计控制具有不同形状变化速率的材料来取代之前的方法。”

——乔治亚理工学院George W. Woodruff机械工程学院教授Jerry Qi

研究人员采用不同的实例来展示他们的方法。其中一个实例是一个特殊的机械，可以由平带转换成一端可控弯曲并通过小孔自螺旋的特定图案。还有一个实例是一个平板，可以自折叠成具有联锁功能的3D箱。所有的实例都需要控制结构中不同部位的自折叠，以防止组件在折叠过程中发生碰撞。

“我们利用3D打印智能聚合物的性质，并将多达十数种不同材料精确的集成到一个3D结构当中。目前我们正在扩展数字SMPs的概念，使其能在三维空间上具有连续可变的动力学性质。”

——新加坡技术设计大学教授Martin L. Dunn

研究团队采用有限元分析预测3D打印组件的响应。不同比例的两种不同SMPs构成的组件已经实现商业化。研究人员建立一个简化的降阶模型来说明快速精确的自折叠过程的物理机制。

自折叠的关键之处在于自我冲突的管理，即折叠结构不同部位相互接触，阻止进一步的折叠。发展了一个度量标准来预测这些碰撞，并于降阶模型一起用于设计自折叠结构。

该小组希望这项创新技术能够用于更多的应用方面，比如无人驾驶飞机，根据巡航或者潜水任务，改变其形状。另外，可卷成管或折叠平面，从而方便运输，最后再恢复成预定的形状以供使用的3D部件也是潜在的应用可能。

相关研究发表于9月8日Nature出版的《Scientific Reports》期刊上。

论文作者包括Yiqi Mao，以及三位乔治亚理工的合作者：Kai Yu、Michael Isakov和Jiangtao Wu。

美国空军科学研究办公室、美国国家科学基金会和新加坡国家研究基金会通过SUTD DMan中心资助了这项研究。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮