3、4D打印技術國內初步研究進展
西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室對4D打印技術進行了初步研究。
課題組研究利用熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）3D打印技術制造IPMC智能材料。常規熔融沉積成型工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結，逐點累加固化形成三維實體結構。課題組將Nafion顆粒狀材料利用熱擠塑技術制備出Nafion絲材，通過調整噴頭溫度將Nafion絲材融化擠出，根據所需的三維實體結構逐點累加固化成型。之后將制備出的Nafion三維實體結構通過浸泡還原鍍、化學鍍和電度的方法在Nafion材料表面制備金屬電極。目前，課題組還在研究利用導電聚合物以及水凝膠與導電顆粒混合體作為IPMC電極材料，這兩種材料不僅在模量強度上與Nafion材料接近，能夠有效提高IPMC的使用壽命，而且通過調整這兩種材料的流動性可以進行擠出成型，這樣IPMC的電極材料同樣可以通過3D打印技術制備。通過熔融沉積成型3D打印技術分別逐層固化導電聚合物/導電水凝膠電極材料、Nafion基體材料、導電聚合物/導電水凝膠電極材料，可以實現任意復雜形狀IPMC結構的直接3D打印制造。利用3D打印技術制備的IPMC，在IPMC兩側電極加載電壓時，IPMC會發生彎曲變形，且達到了較好的工作穩定性和較長的工作壽命，3D打印技術制造的IPMC智能材料結構在加載電壓下可以隨著時間實現形狀結構的變化，即IPMC材料的4D打印技術。采用4D打印技術制備出的IPMC盡管在性能上與傳統方法制備出的IPMC有差距，但是該種方法可以制備出任意復雜形狀的IPMC三維結構，克服了傳統制備方法只能制備片狀IPMC的困難。
課題組對DE材料的3D打印技術也進行了研究。DE基體材料采用可熱固化的硅膠，液體硅膠從噴頭噴射到工作平臺上之后通過調節工作平臺的溫度加快液體硅膠的固化速度，電極材料采用可熱固化的硅膠材料與導電顆粒混合物，逐點累加固化電極材料-基體材料-電極材料實現DE
材料的3D打印制造。利用3D打印技術制造的DE材料在兩側電極加載電壓后，隨著時間可發生厚度方向的收縮和平面面積的擴張變形，實現DE材料的4D打印技術。DE材料的4D打印技術為今后制造任意復雜形狀DE智能材料結構與柔性機器人的發展起到重要推進作用。
課題組進一步研究了形狀記憶聚合物(SMP)的3D打印技術。利用熔融沉積成型(FDM)3D打印技術，SMP材料在噴頭內被加熱熔化，噴頭將熔
化的材料擠出，材料冷卻逐點累加固化形成任意形狀SMP三維實體結構。采用3D打印技術制造的SMP智能材料結構，具有形狀記憶功能，通過調節環境溫度，SMP智能結構可隨著時間發生形狀結構的變化，實現SMP材料的4D打印技術。
課題組將自主研發的IPMC、DE和SMP材料的4D打印技術應用于微創手術器械多自由度操作臂的制造研究中。多自由度操作臂是微創技術未來發展的研究難點，目前大多數操作臂研究圍繞機械傳動與驅動的傳遞方式展開，主要特點是直臂加關節來實現分段彎曲和操作功能。基于智能材料結構的柔性操作臂可以設計成分段電極控制變形，實現機械關節的功能。電極施加電壓，作用在智能材料上，可實現操作臂的多自由度彎曲和轉向。這一方法將傳統的機械關節改為通過電場對智能材料性能的控制，有可能成為一種剛柔相濟的操作臂柔性控制方法。
課題組目前正在研究利用IPMC和SMP的4D打印技術直接制造成型柔性手術操作臂。采用4D打印技術將柱狀IPMC與SMP管結合形成柔性操作臂(圖13)，通過控制4D打印技術制造的IPMC彎曲驅動操作臂的多自由度彎曲，4D打印技術制造的SMP實現操作臂的剛度可控。利用IPMC的4D打印技術，逐點累加固化制造柱狀IPMC(圖14)，柱狀IPMC擁有四個電極，通過控制不同電極加載電壓方式，可實現柱狀IPMC沿八個方向的多自由度彎曲。利用SMP的4D打印技術逐層固化制造SMP管，SMP管設計有四個方形孔洞可以用來與4D打印制造的IPMC柱狀驅動器組合，構成如圖14所示的柔性機械臂結構。柔性操作臂的剛度控制應用的是SMP管的剛度可控功能，4D打印制造的SMP管在玻璃化轉變溫度以上時剛度很小，通過控制多個柱狀IPMC的彎曲實現柔性機械臂的彎曲，彎曲變形達到指定工作位置時，將SMP管的溫度降到玻璃化轉變溫度以下，這時SMP管剛度大幅度增大，將柔性機械臂固定在指定位置，支持通過操作臂內部的醫療工具的手術操作。課題組目前還在研究利用DE材料和SMP的4D打印技術結合，逐層固化實現柔性機械臂結構。
采用新智能材料制造微創手術操作臂是減少傳統機械結構體積，實現智能材料與復雜機構結合的應用點，是制造技術發展的新挑戰。傳統的機械制造多是機械結構件的加工和裝配，新的智能驅動材料與可變剛性材料將改變過去的剛體結構件設計方式，以軟體功能材料為主體，設計制造具有多自由度和剛度可控的柔性結構體。利用智能材料的4D打印技術制造智能材料結構，突破過去微創手術器械的單一材料和剛性結構，滿足表面柔性、機構剛性、物理特性和抗菌特征的新一代微創手術器械需求。課題組將IPMC、DE和SMP智能材料4D打印制造技術應用于柔性操作臂的研究，將改變過去“機械傳動+電機驅動”的模式，走向智能材料的原位驅動模式，不再受機械結構體運動的自由度約束，可以實現連續自由度和剛度可控功能，同時自身重量也會大幅度降低。智能材料結構的4D打印技術將會對柔性機械的研究和發展起到重要的推進作用。
4、4D打印技術的發展趨勢
4D打印技術及其在智能材料結構中的應用研究尚處于起步階段。但是，其研究和發展應用將對傳統機械結構設計與制造帶來深遠的影響。這一發展趨勢體現在以下方面。
（1）4D打印智能材料，將改變過去“機械傳動+電機驅動”的模式。目前的機械結構系統主要是機械傳動與驅動的傳遞方式，未來走向功能材料的原位驅動模式，不再受機械結構體運動的自由度約束，可以實現連續自由度和剛度可控功能，同時自身重量也會大幅度降低。
（2）4D打印技術制造驅動與傳感一體化的智能材料結構，實現智能材料的驅動與傳感性能融合。EAP材料具有良好的驅動性能和傳感性能，即在電場作用下可以發生形變，而且隨著其變形可以輸出電壓電流信號。課題組將EAP材料的驅動性能與傳感性能結合，利用4D打印技術制造驅動與傳感一體化的微創手術柔性操作臂，操作臂既可以通過電場驅動智能材料變形實現操作臂彎曲，同時又可以在彎曲變形過程中通過智能材料的傳感信號控制操作臂精確適當變形而不傷害到人體組織，解決了傳統微創手術器械由于缺乏傳感功能而在變形過程中對人體造成損傷的問題。
（3）研究發展多種適用于4D打印技術的智能材料，對不同外界環境激勵產生響應，響應變形的形式更多樣化。目前4D打印智能材料的激勵方式和變形形式比較局限，Skylar Tibbits等目前正在研究開發可以對振動和聲波產生響應的智能材料4D打印技術，隨著4D打印智能材料的多樣化，4D打印技術的應用將更加廣泛。
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