编程人工水凝胶实现复杂三维运动

根据最新一期的《自然通讯》，UTA阿灵顿德克萨斯大学的研究人员开发了一种新方法，对二维(2D)水凝胶进行编程，使其以空间和时间可控的方式膨胀和收缩，从而形成复杂的三维形状并实现运动。

研究人员表示，这项技术可能会改变柔性工程系统或设备的设计和制造。它的潜在应用包括仿生柔性机器人、人造肌肉(柔性材料可以根据外部信号改变形状或移动，如人体肌肉)和可编程物质。

UTA团队使用具有局部膨胀和收缩率的温度敏感水凝胶，并使用数字光4D(3D加时间)印刷方法对水凝胶进行空间编程，以响应温度变化而膨胀或收缩。通过这种方法，研究人员可以在一个步骤中同时打印多个3D结构，然后使用数学方法对结构的收缩和膨胀进行编程，以形成3D形状(例如，鞍形、褶皱和锥形)及其方向。

研究人员还开发了基于模块化概念的设计规则，以创建更复杂的结构，包括具有程序化顺序运动的仿生结构，这使得形状在空间移动时更具动态性。研究人员还可以控制结构改变形状的速度，从而产生更复杂的连续运动，就像鱼在水中游泳一样。

研究人员表示，与传统的加法制造不同，数字光4D印刷方法允许同时印刷多个定制设计的3D结构。最重要的是，这种方法速度非常快，打印时间不到60秒，因此它具有很高的可扩展性。UTA创造的可编程三维结构方法有望为生物机器人和组织工程开辟许多新的途径。它的应用速度和可扩展性将使它成为未来研究和应用开发的独特工具。

总编辑圈

水凝胶是一种亲水性网状聚合物溶胀体，可以吸收和保持大量的水而不溶于水。我们通常吃的果冻和我们使用的一些面膜都与它有关。在科学研究人员的“巧手”下，它已经成为一种智能材料，能够随着时间的变化自动改变成所需的形状。4D印刷法快速且可扩展，为72种不同的水凝胶提供了更多展示其技能的空间。它可以植入人体器官和组织，可以用来制造生物机器人，在完成人体内的复杂任务后可以安静地退休。尽管这些仍处于实验性的概念阶段，但它们进一步展示了4D印刷的革命性潜力。