MIT发明可自动展开的3D打印结构 未来将可用于复杂机器人的制造

以麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室专家为首的研究团队，近日在美国化学协会期刊《应用材料和界面》发表文章，宣称他们发明了一种 3D 打印结构：只要打印出来的薄层被从基板材料上剥离，薄层就会自己展开。

该打印方法的优点，一方面在于打印薄层启动其展开过程无需任何外力，另一方面在于，其适用于不止一种 3D 打印耗材，并可被用于打印多种精细结构。

参与研究的 MIT 电子工程和计算机科学研究生、文章第一作者 Subramanian Sundaram 表示：假如需要用 3D 打印制造可自行展开的电子器件，那么你需要选用一些有机材料——因为电路板是用有机材料制造的。然而，有机材料对湿度和温度很敏感，因此你不能用泡水或加热的方法来让电路板展开，否则它会损坏。

除了 Sundaram，论文其他作者包括MIT电子工程和计算机科学副教授 Wojciech Matusik 和 Marc Baldo；Matusik 领导的柔性计算团队的技术助理 David Kim，马萨诸塞大学高分子科学和工程教授 Ryan Hayward。

为了展示这种方法，研究人员制造了一个可自行展开的 3D 打印电子器件，其在通电时能从透明变成不透明。这个器件基于同一研究团队在今年年初发布的原型。该原型在展开之前呈“H”型二维平面，但在“H”的四条腿折叠之后，就会形成一个在三维空间中的“桌子”。

研究人员目前已经可以控制“桌腿”的展开角度。在实验中，他们设定“桌腿”的展开角度，然后强行把“桌腿”掰开到更大的角度。然而，当外力移除后，“桌腿”又恢复了原来的展开角度。

在未来一段时间之内，该技术将有助于生产具有复杂三维构型的传感器、显示屏和天线。在远期，该技术也许能制造出可打印的机器人。

3D 打印是一种分层打印技术。MIT 研究人员，将新型材料精确地布置在待展开器件的顶部或者底部几层。底层的新材料和基底材料之间有一定的粘合力，这能保证整个待展开器件在打印过程中的平整。然而，当待展开器件从基底材料上剥离之后，顶层的新型材料就会开始展开。

像人类历史上很多伟大发明一样，研究团队也是在一个偶然的机会才发现的这种新型材料。大多数被研究的材料都是高分子材料——单分子组成复杂的长链结构。用不同种类的单分子制成高分子材料，可以获得不同的物理特性。

在试图发明一种可用来打印更具延展性的器件的材料的时候，研究人员无意中发现，某种配方对应的材料打印出来的器件，居然会随着时间的推移慢慢伸展。研究人员迅速意识到这种材料的潜力，并开始改进这种材料，直到这种材料打印出来的“H”型 4 腿折叠桌能顺利展开。

Hayward 解释了材料的展开奥秘。该 3D 打印耗材中有几种长分子链和一种短得多的分子链，其单分子均为丙烯酸异辛酯。当用该耗材打印出来的薄层暴露于紫外线中固化后，长链之间会链接起来，形成错综复杂的结构。

当第 2 层耗材被置于第 1 层之上后，第 2 层中的短链会渗入已经被固化的第 1 层。在那里，短链和长链形成了一种张力，为日后展开提供了条件。

研究人员希望，对材料机制的深入理解能有助于其他应用领域。比如，目前很多高分子耗材，其打印出来的器件在固化之后，会有 1%-3% 的缩小。也许内在张力材料能有助于解决这个问题。

北卡罗莱纳州立大学化学工程教授 Michael Dickey 表示，该材料为通过 3D 打印制造实用的电子器件提供了一种思路。通常，电路板都是二维平面。而不久的将来，则有可能利用可伸展 3D 打印材料制造处性能同样可靠的三维电子器件。