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弗萊堡大學和斯圖加特大學的研究人員開發了一種使用標準 3D 打印機生產可移動、自調整材料系統的新工藝。這些系統可以以預先編程的方式在水分的影響下經歷復雜的形狀變化、收縮和膨脹。科學家們根據被稱為空氣馬鈴薯的攀緣植物的運動機制模擬了它們的發育。使用他們的新方法，該團隊生產了第一個原型：一種適應佩戴者的前臂支架，可以進一步開發用于醫療應用。

通過他們的新工藝，研究團隊生產了第一個原型，一種適合佩戴者的前臂支架，可以開發用于醫療應用

4D打印定義形狀變化

3D打印已成為廣泛應用的制造工藝。它甚至可以用于生產智能材料和材料系統，這些材料和材料系統在打印后保持運動，從外部刺激（如光、溫度或濕度）自動改變形狀。這種所謂的“4D 打印”，可以通過刺激觸發預定的形狀變化，極大地擴展了材料系統的潛在應用。這些形狀的變化是由材料的化學成分實現的，這些材料由刺激響應聚合物組成。然而，用于生產此類材料系統的打印機和基礎材料通常高度專業化、定制化且價格昂貴。

現在，使用標準 3D 打印機，可以生產對水分變化做出反應的材料系統。考慮到它們的結構，這些材料系統可以在整個系統中或只是在單個部件中發生形狀變化。弗萊堡大學和斯圖加特大學的研究人員將多個膨脹和穩定層結合起來，實現了一種復雜的運動機制：一種通過展開“口袋”作為加壓器來拉得更緊的盤繞結構，當“口袋”松開時，它可以自行再次放松并且盤繞結構返回打開狀態。

轉移到技術材料系統的自然運動機制

對于這個新過程，科學家們使用了一種來自大自然的機制：空氣馬鈴薯通過對寄主植物的樹干施加壓力來爬樹。為此，植物首先松散地纏繞在樹干上。然后它會長出“托葉”，即葉子的基部生長物，這增加了纏繞莖和寄主植物之間的空間。這會在空氣馬鈴薯的纏繞莖中產生張力。為了模仿這些機制，研究人員通過構造其層來構建模塊化材料系統，使其可以向不同方向和不同程度彎曲，從而卷曲并形成螺旋結構。表面上的“口袋”導致螺旋被向外推并處于張力下，從而導致整個材料系統收縮。

到目前為止，我們的工藝仍然僅限于對水分做出反應的現有基礎材料，研究人員說，我們希望，在未來，能夠對其他刺激做出反應的廉價材料將可用于 3D 打印，并可用于我們的工藝。

生活、適應性和能源自主材料系統卓越集群 (livMatS)

弗萊堡大學生命、適應性和能源自主材料系統卓越集群 (livMatS) 的研究人員正在開發受自然啟發的栩栩如生的材料系統。就像生命結構一樣，它們可以自主適應不同的環境因素，從環境中產生清潔能源，不受損壞或可以自我修復。盡管如此，這些材料系統將是純粹的技術對象，因此它們可以使用合成方法生產并部署在極端條件下。