近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zürich）的復(fù)雜材料研究人員開發(fā)出了一種3D打印方法來開發(fā)設(shè)計(jì)具有精美微結(jié)構(gòu)特征的復(fù)合材料。在此之前，這種結(jié)構(gòu)特征只在自然生長的生物材料中見到過。利用這種“多材料磁力輔助3D打印系統(tǒng)（MM-3D printing），研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有效地超越了3D成型能力，甚至進(jìn)入了一種5D設(shè)計(jì)空間。據(jù)稱這一技術(shù)最終可以開發(fā)出多功能的變形軟裝置，這種裝置可以用于創(chuàng)建類似人體肌腱或者肌肉的機(jī)械連接系統(tǒng)，或者制造軟機(jī)器人的選擇性拾取-放置系統(tǒng)等。

研究人員認(rèn)為，將多種材料融合在一個(gè)3D打印對象中就為創(chuàng)建動(dòng)態(tài)可編程的對象創(chuàng)造了可能性——這種可能性我們已經(jīng)看到了，比如使用加載了陰極和陽極材料的油墨實(shí)現(xiàn)微型鋰離子電池的直接布線；或者將細(xì)胞與生物相容性水凝膠結(jié)合起來探討組織再生的可能性等等。這些3D打印的設(shè)計(jì)往往類似于自然界中活細(xì)胞生長生物材料的方法，但是直到現(xiàn)在，人類設(shè)計(jì)的結(jié)果也沒有達(dá)到與之相同的復(fù)雜水平。“與常規(guī)的3D打印技術(shù)相比，活細(xì)胞所具備的獨(dú)立局部成份和紋理控制水平至少多出了兩個(gè)自由度（或者維度）。”他們解釋說。

而受到自然界中復(fù)雜多樣的構(gòu)建方式的啟發(fā)——比如植物能夠根據(jù)環(huán)境因素的影響改變自己的形狀——研究者們設(shè)計(jì)了“一種可以在5D設(shè)計(jì)空間編程并制造合成微結(jié)構(gòu)的增材制造方法。”所謂的5D設(shè)計(jì)空間，指的是除了增材制造的3D成型能力之外，還包括了合成物的本地控制（1D）和顆粒方向（另外1D）。

MM-3D打印平臺原理圖。

用3DDiscovery公司的regenHU改裝成的MM-3D打印平臺

我們已經(jīng)接觸到了一些4D打印的技術(shù)，比如那些使用3D打印的形狀記憶高分子材料創(chuàng)建的復(fù)雜的自我折疊結(jié)構(gòu)等。而為了實(shí)現(xiàn)“5D可編程性”，瑞士研究人員使用了一種將具有磁響應(yīng)屬性的顆粒懸浮在液態(tài)光敏樹脂中制成的墨水。隨后他們改裝了一臺商業(yè)3D打印機(jī)——3DDiscovery公司的regenHU，并用它來沉積墨水。

改裝后的3D打印機(jī)配備了四個(gè)可獨(dú)立尋址定位的注射器，每個(gè)注射器里可盛放不同配方的墨水。這臺3D打印機(jī)上還安裝了一個(gè)由兩個(gè)部件組成的混合/分配單元，并由該單元來控油墨組成的變化。至于墨水，研究人員使用了兩種具有不同流變特性的墨水：具有粘彈性的“成型”墨水，用于生成外框；低粘度的“紋理”墨水，用于輪廓內(nèi)的打印。

帶內(nèi)部螺旋樓梯的MM-3D打印對象。“成型”墨水被指示為灰色，而“紋理”墨水被指示為米色。周邊的黑色圖案則代表了光刻掩模

為了展示自己開發(fā)的MM-3D打印平臺所具備的定向、復(fù)合和形狀控制能力，研究人員打印出了一個(gè)具有復(fù)雜形狀以及與自然界完全不同的非均質(zhì)精細(xì)微結(jié)構(gòu)的3D對象（見上圖）。他們將這個(gè)對象成為“螺旋”，該對象的外部呈現(xiàn)了各種不同的凸起和凹陷的曲面，而其內(nèi)部則將眾多小片匯集成螺旋樓梯的形式，從底部一直延伸到頂部。整個(gè)對象的大小僅為18毫米，其圓形底座直徑為16毫米，頂部直徑為10毫米，總共由60個(gè)圓形層組成?？茖W(xué)家們稱，這種極端復(fù)雜的小尺寸3D打印對象代表了一種更加先進(jìn)的人造物體，這種物體比以前更加接近于生物材料和植物系統(tǒng)中那種豐富、復(fù)雜、高效的幾何形式。

研究者還能夠使用這種3D打印平臺創(chuàng)造出軟性的機(jī)械緊固零件和3D變形的鎖鍵連接器。“雖然可以設(shè)想許多其他功能，但我們提供的例子包括利用非均質(zhì)復(fù)合材料的形變來制造軟性的機(jī)械緊固件，這種緊固件的工作原理非常特殊，它不需要任何化學(xué)粘合，完全可以根據(jù)緊固系統(tǒng)預(yù)先編程好的形狀變化帶驅(qū)動(dòng)不同部件之間的機(jī)械互鎖。”

他們提出這種緊固系統(tǒng)可以創(chuàng)建類似人體肌腱或者肌肉的機(jī)械連接系統(tǒng)，或者這種可重新設(shè)置的鎖鍵連接器也可以用作能夠自主觸發(fā)的靈活關(guān)節(jié)等。

通過MM-3D打印技術(shù)打印的可編程變形對象制造的軟機(jī)械緊固件。

這項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者為Dimitri Kokkinis、Manuel Schaffner和André R. Studart，并得到了美國空軍科學(xué)研究辦公室、瑞士國家競爭力與研究中心（NCCR）和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的資助。