近日，Pittsburgh大学Swanson工程学院和Clemson大学的研究人员们开发出了一种新的混合材料，该材料当暴露在不同的光线或热刺激环境中时可以多次从新配置自己形成不同的形状。研发人员称，这项研究将光响应纤维与热响应凝胶结合了起来，在软机器人和其它仿生的4D打印辅助装置方面具有强大的应用潜力。
在光热条件下，该材料形状可发生多次重组，从而可应用于制备环境协调性以及外界刺激响应性器件。由Pittsburgh大学化工和石油工程学院特聘教授Anna C. Balazs及Clemson大学材料科学与工程学院副教授Olga Kuksenok开发的计算机模拟模型预测这些复合材料具有高度重组性和优异的机械性能，因此可用于仿生4D打印。该研究成果“集成热敏凝胶与光敏纤维的复合材料的刺激响应性”近期已发表于RSC.旗下《 Materials Horizons》。
在4D打印中，第四维坐标表示时间，主要用于分析材料结构。也就是说，这些材料经过打印后仍可以改变形状，可谓“造型百变”，因而极大地节约了成本，减轻了“一模一型”模式。Balazs博士表示，该项目关键性因素是怎样制备出一种坚韧而又具备多重外界刺激响应性的材料。
其解决方案是将涂覆有螺吡喃（SP）发色团的光敏纤维嵌入热敏凝胶中，使得该材料在光热条件下具有明显不同的响应行为。
Kuksenok博士解释道：如果我们将该复合材料安放于基材表面，在光照条件下，它会向某一方向弯曲，而在热处理条件下，它会向另一方向弯曲。之后当我们取下材料样品时，在热处理环境中，它会像手风琴一样收缩，而在光照环境中，它会像毛毛虫一样卷曲。这种程序化性能使得单一材料在光或热刺激下显现出不同的形状，因而具备多种功能。
通过将螺吡喃（SP）官能团接在纤维指定区域内，该复合材料具有仅在光照条件下显现的“隐藏”模式，使得材料可获得热处理所不能达到的加工处理方式。这种仿生、刺激响应性行为可驱使关节点在光照下弯曲运动，并且已经成为新型适配器应用领域（如柔性机器人等）必不可少的组分。
机器人是一种奇妙的应用工具，但是当你考察某些精细结构（如人体内部等）时，
你需要的是一种“湿软”机器人，而不是我们所想的那种带有咬合齿轮和锋利棱角的机器人。该团队研发的复合材料为今后功能性器件（柔软性，重组性，环境响应性）的发展打下了坚实基础。
Balazs博士指出该项目的实际意义在于设计了一种单一的复合材料，且其具有一系列动态响应性能及形状结构。在概念性层面上，其研究成果为基于不同类型刺激响应性组分构造新型适配性器件提供了指导方针，确切来说，该新型材料在可控反复驱动条件下，能够表现出新的动态行为及大规模的运动。
未来该项目研究将会集中于调整部分嵌入式纤维的排列方式，以期获得可用作夹持器的手形结构材料。
摘要速递：Stimuli-responsive behavior of composites integrating thermo-responsive gels with photo-responsive fibersMater. Horiz.Olga Kuksenok & Anna C. BalazsDOI: 10.1039/C5MH00212Epublished online 09 Nov 2015Materials that could be reconfigured multiple times into different shapes with the use of different stimuli could dramatically impact manufacturing processes. As a step toward creating such useful, adaptive materials, we use computational modeling to design a composite that integrates a thermo-responsive polymer gel and photosensitive fibers. The gel displays a lower critical solution temperature (LCST), and thus, shrinks at elevated temperatures. The elastic fibers are functionalized with spirobenzopyran (SP) chromophores, which become hydrophobic under blue light. If these chromophores are uniformly distributed in this LCST gel (without the embedded fibers), then both light and heat produce the same effect on the sample, causing the gel to undergo a uniform collapse. When the SP-functionalization is confined to fibers that are embedded in the gel, the material displays distinctly different behavior in the presence of light and heat. In particular, samples anchored to a surface bend in one direction when illuminated and in the opposite direction when heated. When the sample is detached from the surface, then the composites shrink like an accordion when heated and bend like a caterpillar when illuminated. Common to both the tethered and untethered samples, one material displays a distinct response to the different stimuli. Hence, our findings indicate how a given sample can be fashioned into different shapes through the use of separate stimuli. Overall, our results point to a robust method for controllably reconfiguring the morphology of compliant composites and amplifying the effects of external environmental cues (light or temperature) on the behavior of these systems.
————“高分子科学前沿”
