南方科技大学推出可重构4D打印技术，开发共价自适应网络形状记忆聚合物

2025年1月22日，南极熊获悉，来自南方科技大学的研究人员推出了一种可重构 4D 打印技术，大大简化了制造变形结构的方法。新技术通过为3D打印形状记忆聚合物（SMP）结构赋予可重构性和可焊接性，为4D打印技术增加了价值。

相关成果以题为“Reconfigurable 4D printing viamechanically robust covalent adaptable network shape memory polymer/通过机械稳健协同自适应网络形状记忆聚合物实现可重构4D打印”已发表在《科学进展》上。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl4387

SMP材料因其相对较高的模量而被广泛应用于4D打印。大多数用于4D打印的SMP都是热固性材料——这意味着，一旦确定了化学结构，它们就只能“记住”一个永久的形状。

近年来的一些研究将共价自适应网络（CAN）引入SMP，以实现多种可重构永久形状，但现有的动态共价SMP无法兼顾形状记忆性能、变形重构能力以及高精度打印性能。

针对上述问题，南方科技大学机械与能源工程系葛奇教授团队在可重构4D打印技术方面取得重要进展，开发出一种具有高力学性能的共价自适应网络形状记忆聚合物（MRC-SMP），可用于数字光处理（DLP）高分辨率3D打印，实现可重构、大变形、高精度的4D打印。

△图1. MRC-SMP 的可重构、大变形和高分辨率 4D 打印。（a）DLP 3D 打印机打印的高分辨率MRC-SMP 晶格结构的大变形形状记忆行为。（b）重构的弧形MRC-SMP 晶格结构的形状记忆行为。（c）通过将三个 3D打印和重构的 MRC-SMP 晶格结构焊接到打印的圆形连接器上制造的形状记忆夹持器。

利用DLP打印机打印MRC-SMP晶格结构，展现出大变形形状记忆行为（图1a）。如图1b所示，酯交换反应引起的晶格结构永久形状重构，以及形状配置的MRC-SMP，仍然具备大变形性能和形状记忆性能。此外，共价自适应网络还赋予MRC-SMP高强度的焊接能力。三个高精度打印的MRC-SMP晶格结构和一个MRC-SMP连接器通过焊接和形状重构形成抓取式夹持器（图1c）。MRC-SMP夹持器可先编程为展开状态，然后通过形状记忆恢复到抓取状态，以举起重物。

MRC-SMP 可重构性能与多材料打印相结合，可以制造任意形状的三维形状记忆折纸结构——大大减少了制造复杂 SMP 折纸结构所需的时间。如图 2a 所示，多材料折纸由 MRC-SMP 作为可变形铰链，耐高温高强度光固化树脂作为刚性板表面制成。

△南方科技大学研究人员推进可重构4D打印——开发共价自适应网络形状记忆聚合物（MRC-SMP）。

图 2. 多材料可重构形状记忆折纸。 (ab) 可重构形状记忆折纸的多种形状重构和形状记忆行为。 (d) 重构的折纸形状 2 承载重物的快照。 (e) 在室温下对不同折纸形状进行压缩测试。

MRC-SMP 的显著变形能力使一张打印折纸能够快速重新配置成多个 SMP 折纸（图 2a-c）。MRC-SMP的高玻璃化转变温度确保 3D 折纸结构在室温下具有高刚度，并能支撑重载（图 2d-e）。

南方科技大学机械与能源工程系研究助理教授李洪庚为该论文的第一作者，葛奇教授为通讯作者，南方科技大学为第一附属单位。

这项研究得到国家自然科学基金、广东省珠江人才计划、广东省自然科学基金和深圳市科技创新委员会的资助。