4D打印技术是近十年来出现的一种创新的智能制造方法，它允许打印的结构随时间改变形状、属性或功能，以响应外部或内部刺激。4D打印的结构不再是静态的物体，而是预先设计的主动结构，这使得它们在软执行器、柔性电子和软机器人技术方面的应用前景广阔。然而，现有的4D打印结构存在形状变形响应时间长（数秒）、对外部刺激敏感性低（数千帕）等缺点，极大地限制了其应用。
图1. 具有超快变形速度（0.007 s）和高灵敏度应力检测（0.4 Pa）的4D打印电磁结构。
近期，华中科技大学苏彬教授团队提出了一种具有超快形状变形和高灵敏度检测能力的 4D 打印电磁架构 (EMA)。EMA不仅具有低至0.007 s的超快形状变形响应时间，而且还具有检测低至0.4 Pa的外部压力的高灵敏度，这超出了当前所有4D打印报告的记录。相关工作以“Ultra-Fast Shape-Deformation and Highly-Sensitive Detection of 4D Printed Electromagnetic Architectures”为题发表在Advanced Functional Materials。华中科技大学博士生张善飞和硕士生许义卓是文章的共同第一作者。
在这项研究中，4D 打印电磁架构 (EMA) 由 4D 打印聚合物支架以及磁性和导电部件组成，具有极快的形状变形响应和极低的应力检测极限（图1）。数值模拟揭示了 EMA 的快速形状变形和传感机制（图3）。通过 COMSOL 仿真和结构优化，研究了不同晶胞结构和尺寸对 EMA 形状变形和传感性能的影响（图4）。结果表明，具有六个四边形晶胞的 EMA 表现出最短的形状变形响应时间，而具有这种晶胞结构的4D打印聚合物支架使得EMA具有超低的最小压力可检测限制（图5）。借助EMA的超快形状变形和高灵敏度检测能力，构建了“感知-变形”系统，可以通过压力智能区分物体，然后通过形状变形捕获或释放物体。该工作实现了 4D 打印架构中形状变形和应力传感的有效耦合，显着增强了 4D 打印的性能及其执行复杂任务以适应环境的能力。
图2. EMA具有低至0.007s的超快变形速度。
图3. COMSOL数值模拟揭示了EMA的变形机理。
图5. EMA具有超低的应力检测限度，能够感应蚂蚁的运动。
图6. 一种“感知到变形”的系统，可以通过压力巧妙地区分物体，然后通过形状变形捕获或释放它们。
该工作是苏彬教授团队近期关于柔性磁电体系研究的最新进展之一。在过去的几年中，团队在基于柔性磁电材料的可穿戴传感器（Chem. Eng. J., 2023, 463, 142388; npj Flex. Electron., 2024, 8, 2;）、柔性发电机（Adv. Mater., 2022, 34, 2203814; Adv. Funct. Mater., 2021, 32, 2107682）、软体机器人（Soft Robot. 2023, 10, 66-76）取得了一系列进展，并系统探索了柔性磁电材料在植入式生物传感器中的应用（Chem. Eng. J., 2024, 482, 148891; Interdisciplinary Materials, 2024, 3, 133-149）。团队主页：http://www.subin-hust.cn
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202402563
相关进展
高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。
