吉林大学任露泉院士团队AFM：4D打印仿生种子弹射器

来源： 高分子科学前沿

4D打印是利用刺激响应性材料和3D打印技术来制造在湿度、光、热、电场或磁场等刺激下可以改变形状或特性的三维物体，对环境具有适应性和动态响应性，在航空航天、生物医学和软体机器人等领域具有广阔的应用前景。目前，形状记忆聚合物（SMPs）、水凝胶和液晶弹性体（LCEs）是4D打印的主要聚合物材料。SMPs和LCEs的反应机制是聚合物链或液晶网格对外部刺激（通常是温度）的重新排列；对于水凝胶，其反应机制是膨胀和解吸。这些材料被打印成具有特定位置组成的异质结构，在适当的刺激下产生可编程的变化。响应速度由SMPs/LCEs的导热性或水凝胶的渗透性决定，这导致4D打印物体不能产生快速运动和快速形状变化，也不能应用于需要快速形状转换的领域，如快速解锁和部署航空航天设备。因此，具有快速转换能力和高输出能量的4D打印形状变形结构仍然是一个巨大的挑战，也是实际应用中非常需要的。

近日，吉林大学任露泉院士、韩志武教授、刘萍萍教授和英国曼彻斯特大学任雷教授根据紫罗兰果实种子射出过程中梯度扇形细胞的结构变化特征，通过3D打印技术对具有不同存储模量的异质材料的空间分布进行编程，并加工出一种仿生智能弹射器，可通过力、温度、光、湿度或电的刺激实现高速弹射，触发时间为毫秒级，最快弹射速度可达到3.6米/秒。这种仿生的4D打印策略突破了传统4D打印物体运动速度的限制，有助于释放4D打印的全部潜力。这项工作以“Biomimetic 4D Printing Catapult: From Biological Prototype to Practical Implementation”为题发表在Advanced Functional Materials上。

研究人员首先观察了紫罗兰种荚在种子排出前后的形态变化，发现新鲜瓣片的内部结构相对松散，含水量高，而瓣片的外部结构相对紧凑，含水量低。依靠快速失水收缩变形，中间的黄色区域是主要的驱动单元（图1）。研究人员还研究了种子的弹射过程，发现在整个弹射过程中，豆荚经历了一个种子数量从多排到单排，再到单粒的渐进过程（图2）。

图1. 紫罗兰种荚的形态

图2. 种子弹射过程

为了验证种子弹射的原理，研究人员提取了种荚的横截面并建立了模型，分析发现，紫罗兰种子的弹射原理是基于不同区域的水分流失和细胞收缩的程度不同，从而产生应力（图3a-f）。受种子弹射原理的启发，研究人员设计了4D打印模型，并利用多材料打印技术打印了仿生种荚和弹射样品，其中弹射是基于不同打印材料在加热时的不同玻璃转化温度。种荚由两部分组成，包括不同的材料，而弹射样品是由单一材料打印而成。然后在响应材料的玻璃转化温度以上对种荚样品进行塑形，随后冷却以达到固体形状。通过打印一个标准支架，仿生弹射器被加热并固定在支架上进行冷却，冷却后模型被固定，弹性势能被储存在其中。然后通过提高环境温度刺激组装好的样品，使其达到玻璃化温度，此时材料的模量迅速下降并恢复到成型前的原始形状，储存的弹性势能迅速释放并转移到弹射器上，随后转化为弹射的动能（图3g-h）。

图3. 4D打印弹射器的仿生设计

4D打印样品可以在多种刺激下进行弹射。如图4a所示，使用了外部应力触发器，用手简单地挤压夹持端，当挤压力超过射出物和样品之间的摩擦力时，弹丸被弹出。在图4b中，使用了加热触发器，将组件浸入60℃的水浴中，弹丸被弹出。在图4c中，使用红外光照射样品并提高其温度，也可以触发弹射。因为空气被用作加热和弹射介质，所以弹射的速度要比在水中快得多。在图4d中，使用了电触发，中间的光束由导电材料制成，与两种材料打印成一体。通电后，横梁产生热量并作为触发器。其原理与之前的触发器相同，即模量的快速下降。由于电热效率高，弹射反应时间比红外加热的情况要短得多，弹射速度也很合理。图4e显示了三个弹丸的顺序触发过程，其触发原理与图4d中的单个弹丸相同。研究人员还分析了仿生4D打印弹射器在各种刺激下的运动情况，研究了电触发、红外加热触发和水浴加热触发三种触发模式下弹丸的反应时间和弹射速度（图5）。

图4. 4D打印弹射器的多刺激响应

图5. 4D打印弹射器在各种刺激下的运动

研究人员拍摄了高速摄像图像，发现由水浴触发的瞬时射出速度为≈1.7 m/s，加速度为25g；由红外加热触发的瞬时射出速度为≈3 m/s，加速度为39g；由电触发的最大弹射速度为≈2 m/s，射出加速度为≈20g。单次触发和多次触发之间没有明显差异（图6a-d）。研究人员打印了一个卫星模型，该卫星配备了不同的弹射功能，即一个微型卫星模块、一个捕网模块和一个子弹模块（图6e-g）。用热风枪对要发射的模块进行加热，几秒钟后，各模块被发射出去，互不干扰，说明了4D打印弹射器在航空航天领域的应用前景。

图6. 弹射器触发实验及应用前景

结论：研究人员通过高速摄影和豆荚的微型CT切片研究了紫罗兰种子的顺序喷射机制。基于这一机制，使用多材料打印机加工了一系列仿生4D打印弹射器，可以在不同的刺激下触发，触发时间为毫秒级。这种仿生方案提供了短的触发时间和快的触发速度，克服了4D打印样品的低驱动应力和慢驱动速度的缺点。仿生的4D打印弹射器样品还可以由特殊的工程聚合物或金属形成，在空间卫星发射和空间站垃圾清理方面具有很好的应用前景。