瑞士ETH苏黎世联邦理工学院在3D打印复合材料、4D甚至是5D打印方面积累了丰富的经验。就在2015年，苏黎世联邦理工学院还利用多材料磁力辅助3D打印系统（MM-3D printing）实现了5D打印，开发出多功能的变形软装置，这种装置可以用于创建类似人体肌腱或者肌肉的机械连接系统，或者用于制造软机器人的选择性拾取-放置系统。
近日，ETH宣布通过市售的3D打印设备，他们开发了4D材料，这种无需机械动力的自运动材料，在航空航天、国防、医疗等多种应用领域有着特殊的应用前景。
当前，大多数有关自运动材料的3D打印研究基本上使用刺激响应形变塑料。 这些塑料可分为两个亚类：可编程形状记忆塑料（programmable Shape Memory Polymers – SMPs）和人造水凝胶。 这两种塑料形状变化的机理差异很大。
SMPs这种材料当被冷却到激活温度以下（也称为编程温度）的时候，SMPs材料将发生变形，而遇到加热时，SMPs材料的活性被激发并恢复至原始形状。
人造水凝胶通过溶胀过程而与其环境中的流体发生反应。 只要施加刺激，水凝胶就会发生形状的连续变化。 在干燥环境中，随着吸收的流体被蒸发，人造水凝胶就慢慢恢复永久形状。
SMPs的变形过程比较突变化，但形状是记忆可控的；人造水凝胶的变形过程比较连续，只要有外界的刺激存在，人造水凝胶的形状就在持续的改变中。
如何研发出一种材料兼具SMPs和人造水凝胶的特点，不仅形状变化连续且严格可控，而且形状具有记忆性，这成为4D打印的一大挑战。
ETH的研究人员先是表征3D打印塑料材料的热力学性质。 然后使用实验数据构建线性粘弹性本构模型。 结合这个本构模型的仿真通过三点弯曲试验来进行验证。 接下来，研究人员设计不同的模型来模拟、制作和测试活性材料的各种形状转换。
为了实现变形过程的精准控制，超材料的形状记忆周期是通过有限元模拟进行建模的。利用模拟的力位移数据，科学家们拟合了梁单元的人造刚度，使其具有相同的力学行为。 此外，简化光束建模方法允许以较低的计算成本来模拟大型复杂结构。
研究结果发表在“Large Shape Transforming 4D Auxetic Structures”论文中。这种通过市售的3D打印设备以及市售的3D打印材料所实现的4D打印，其面积可以自延展到到百分之二百的程度。引导这些复杂几何运动的关键在于热激活，通过时间的变化“通知”第四个维度 – 什么时候以及如何发生形状变化。
ETH的研究人员专注于设计的编程方面，并强调通过简化的程序来实现复杂的设计。在研究人员看来，4D打印在配置变更无法手动实现以及机电驱动不可行的情况下（例如在航空航天和医疗领域）具有很大的潜力。
在3D打印方面，为了展示轻松的可操作性，研究人员所获取的4D超材料实际上是由一种单一的材料制成的，科学家们使用的设备是Stratasys Objet500 Connex3 3D打印机。该团队指出，这种通过对市售材料和设备的创新使用，也扩大了在各种应用中引入4D材料的潜力。
参考资料：Large Shape Transforming 4D Auxetic Structures
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