双稳态机制

瑞士苏黎世联邦理工学院的Kristina Shea教授和博士生田晨最近使用3D打印技术开发了一种水下软体机器人，他们发表了一项研究，他们3D打印了一个可自动部署的可编程执行器并进行了更改，在温度变化条件下，这些3D打印材料会发生形状改变。

“使用形状记忆塑料作为温度可控能源和双稳态机制作为线性致动器和力放大器，这些结构实现了精确的几何激活和可量化的承载能力，”研究人员解释说。 “所提出的单元执行器集成了这两个组件，旨在组装成更大的可展开和形状可重构结构。”

通过将每个形状记忆聚合物定制到不同的激活时间，对3D打印物体进行编程以逐渐改变形状。物体以平面开始，当被激活时，变成金字塔或双曲抛物面形状，展示出多态结构。两者都在激活和操作期间显示出承载能力。

“通过将这种塑料与称为von Mises桁架的双稳态结构相结合，我们能够定义两种可以精确实现的不同平衡状态，”研究人员解释说。 “Von Mises型双稳态结构以前曾用于主动桅杆，用于能量吸收，最近还用于制造3D打印的可重构结构。”

 材料科学与结构科学的结合

通过使用Stratasys Objet3 Connex500多材料3D打印机对这些结构进行3D打印。使用的材料包括FLX9895，是一种形状记忆聚合物; RGD525，一种耐热硬质塑料，以及Agilus30，一种类似弹性体的材料。然后实验过程中，通过加热的水来激活结构变化以模拟减少的重力环境。

“单元执行器程序的部署包括两个阶段，第一阶段是SMS与双稳态机制的编程和组装，“研究人员继续说道。 “第二个是SMS的有限恢复，在编程阶段，SMS被加热经过并被拉伸或压缩等于双稳态机构的行程长度的距离（图2b，c）。在受限制的情况下，SMS被冷却并安装在双稳态机构中（图2d）。通过升高单元致动器的温度来触发第二阶段（图2e）。当SMS恢复时，它会触发双稳态机制并实现部署状态。一旦冷却，这种激活状态就像SMS恢复到玻璃状态一样僵硬。“

由此我们看到的结果是一个物体平滑地从平坦状态转变为复杂形状，最重要的是，在部署期间和之后都显示出承载能力，这与许多其他4D打印物体不同。所以该研究有可潜力扩展到许多应用，特别是在太空探索领域。

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苏黎世瑞士联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员开发出了一种生物相容墨水，用于活细菌的3D打印。这一突破使得生产高纯度的生物医学纤维素或生产能够分解有毒物质的生物材料成为可能。

苏黎世瑞士联邦理工学院的研究人员展示了一种3D打印方法，通过将自然多样的细菌代谢与增材制造的形状设计自由结合，创造出细菌衍生的功能性材料。为了实现这一目标，研究人员将细菌植入生物相容性和功能化的3D打印油墨中，并3D打印了两种材料，一种材料能够降解污染物，另一种材料是可用于医学领域的细菌纤维素“活性材料”。

研究人员由此预见一个新的未来：通过这种3D打印平台，可以打印活细菌 – 那些有益的细菌，为3D打印复杂材料提供非常有用的功能特性。这其中的奥秘来自于研究人员配置的3D打印墨水“Flink”- 功能性活墨水”。

据研究人员，Flink墨水为生物化学和生物医学提供了巨大的潜力。通过选择不同的细菌种类来影响研究人员称之为3D打印“生物化学工厂”的物理特性，甚至可以通过调整配方用来制造人造皮肤以治疗烧伤患者。

拿恶臭假单胞菌来说，它可以分解有毒化学品苯酚，在化工行业中可以用来修复环境污染。而木醋杆菌，可以分泌高纯度纳米纤维素，从而缓解疼痛。研究小组通过不同的细菌配方来试验缓解疼痛和保湿性能，并尝试探索可用来治疗烧伤的墨水配方。

然而，这只是细菌世界的冰山一角。新的3D打印平台可一次打印四种不同的细菌墨水。通过精确地改变每种细菌的浓度，可以3D打印具有不同物理和功能特性的复杂材料。

含有细菌的3D打印墨水由生物相容性水凝胶（含有透明质酸、长链糖分子和热解法二氧化硅）组成，从而成为可3D打印的固态形式。而含有糖的混合培养基可以保持所选的细菌混合物的活性。

对于初学者来说，这种细菌墨水可用于高级生物医学应用，例如治疗烧伤患者和其他皮肤病患者。这种3D打印平台还能够制造用于治疗各种损伤的基于纤维素的3D伤口贴片。

不过，这种组合可能会做出更多辉煌的事情，3D打印只是一种工具，如何利用这种工具发挥更大的价值还需要与多种学科的研究能力相结合。

参考资料：3D printing of bacteria into functional complex materials

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近日，ETH宣布通过市售的3D打印设备，他们开发了4D材料，这种无需机械动力的自运动材料，在航空航天、国防、医疗等多种应用领域有着特殊的应用前景。

当前，大多数有关自运动材料的3D打印研究基本上使用刺激响应形变塑料。 这些塑料可分为两个亚类：可编程形状记忆塑料（programmable Shape Memory Polymers – SMPs）和人造水凝胶。 这两种塑料形状变化的机理差异很大。

SMPs这种材料当被冷却到激活温度以下（也称为编程温度）的时候，SMPs材料将发生变形，而遇到加热时，SMPs材料的活性被激发并恢复至原始形状。

人造水凝胶通过溶胀过程而与其环境中的流体发生反应。 只要施加刺激，水凝胶就会发生形状的连续变化。 在干燥环境中，随着吸收的流体被蒸发，人造水凝胶就慢慢恢复永久形状。

SMPs的变形过程比较突变化，但形状是记忆可控的；人造水凝胶的变形过程比较连续，只要有外界的刺激存在，人造水凝胶的形状就在持续的改变中。

如何研发出一种材料兼具SMPs和人造水凝胶的特点，不仅形状变化连续且严格可控，而且形状具有记忆性，这成为4D打印的一大挑战。

ETH的研究人员先是表征3D打印塑料材料的热力学性质。 然后使用实验数据构建线性粘弹性本构模型。 结合这个本构模型的仿真通过三点弯曲试验来进行验证。 接下来，研究人员设计不同的模型来模拟、制作和测试活性材料的各种形状转换。

为了实现变形过程的精准控制，超材料的形状记忆周期是通过有限元模拟进行建模的。利用模拟的力位移数据，科学家们拟合了梁单元的人造刚度，使其具有相同的力学行为。 此外，简化光束建模方法允许以较低的计算成本来模拟大型复杂结构。

研究结果发表在“Large Shape Transforming 4D Auxetic Structures”论文中。这种通过市售的3D打印设备以及市售的3D打印材料所实现的4D打印，其面积可以自延展到到百分之二百的程度。引导这些复杂几何运动的关键在于热激活，通过时间的变化“通知”第四个维度 – 什么时候以及如何发生形状变化。

ETH的研究人员专注于设计的编程方面，并强调通过简化的程序来实现复杂的设计。在研究人员看来，4D打印在配置变更无法手动实现以及机电驱动不可行的情况下（例如在航空航天和医疗领域）具有很大的潜力。

在3D打印方面，为了展示轻松的可操作性，研究人员所获取的4D超材料实际上是由一种单一的材料制成的，科学家们使用的设备是Stratasys Objet500 Connex3 3D打印机。该团队指出，这种通过对市售材料和设备的创新使用，也扩大了在各种应用中引入4D材料的潜力。

参考资料：Large Shape Transforming 4D Auxetic Structures

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“Mesh Mould Research”网格三维模型项目，包括开发出一种创建大型复杂的连续网格结构用于在建筑工地上进行3D打印。项目顺利完成了第一阶段的研究工作——塑料类聚合物材料的挤出加工。目前，项目进入第二阶段——网状金属的3D打印。

来源：3ders

网格的的力学

这些网状金属结构的作用类似与传统建筑所搭建的钢筋水泥结构，对整个建筑起着力学支撑的作用。项目组的科学家们已经开发了一种新型工艺机器人用于将混凝土挤出到网状金属结构中，并且开发了机器人可以直接在施工现场工作的可能性，这些努力将使得建筑废物几乎变为零。

来源：3ders

第一阶段的工作重点是开发“空间机器人熔融挤出工艺”。使用的材料是基于聚合物的材料；第二阶段的工作重点是打印金属以提供结构力学方面的支撑。其目标是创建一个3D打印系统，可以有效的将3mm直径的钢丝连续打印成网状结构，完成建筑物的承重结构体系。

要完成金属的打印工作就需要开发一个系统，该系统能够自动弯曲和焊接金属网状结构的节点。第二阶段的研究是在国家竞争力中心（NCCR）进行的，并在Jonas Buchli教授的敏捷和灵巧机器人实验室的协助下开发的，主要研究工作集中在如何在机器人末端执行器上集成创新挤出系统。

这让3D科学谷想到了荷兰MX3D 公司通过软件驱动的机器人打印的建筑结构。MX3D 公司将在2017年在运河的两端向中间一次性打印完成一座桥梁。不同的是瑞士的科学家此次研究的是将金属结构作为“钢筋”来支撑水泥。而MX3D 公司打印的金属结构是直接用于支撑桥梁的，并不在金属结构的空隙中注入水泥。

不管是瑞士的研究，还是荷兰的打印技术，这的确与我们之前接触的一层一层来构建打印对象的3D打印技术大相径庭，建筑领域的金属网格打印允许高度复杂的网格结构的创建。这反而像打印笔一样，在你想要实现的部位直接添加复杂的结构。或许，有了这么一支神奇的“打印笔”，你也可以轻松的变成建筑领域的“神笔马良”。

科学家Fabio Gramazio和Matthias Kohler解释说，他们的研究工作将使得建筑远离“一刀切”的思想，而走向一种新的基于柔性制造的思维模式。机器人的现场3D打印带来建筑领域的变化和自由度，建筑设计师则不需要再为如何简化建筑的几何设计以满足工艺要求、如何标准化以降低建筑成本而弹精竭虑，取而代之的是建筑设计师将更加自由的运用变异、分化等将美学和力学融为一体的设计理念。

该研究项目的第二阶段预计将运行到2018年。这样技术将对我们的建筑行业带来哪些变化？3D科学谷与好奇的谷友一起拭目以待！

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瑞士联邦工学院在3D打印领域业绩赫赫: 包括通过生物聚合物和软骨细胞打造了一只耳朵和鼻子的生物打印; 通过在三维打印的基础上加上合成物的局部控制的组合物（第四维度）和颗粒方向（第五维度）的材料设计实现的5D打印；以及可制造更高性能触摸屏的3D打印金银纳米墙技术。

3D科学谷看到麻省理工的科研成果孵化出不少优秀的商业模式，而瑞士联邦工学院也不例外，专注于纳米打印的CytoSurge公司的创始人DR. MICHAEL GABI 和 DR. PASCAL BEHR正是来自瑞士联邦工学院。

DR. MICHAEL GABI 和 DR. PASCAL BEHR

CytoSurge的核心技术是专利的FluidFM技术，FluidFM技术是一种重塑微管的技术，FluidFM移液器微管有比人类头发的直径还要小500倍的孔径。这种独特的结合了力显微镜和微流控技术的技术提升业界的应用程序到一个更高的水平，并带来真正独特的组合，FluidFM的应用领域包括从单细胞生物到表面分析以及更多，带来最苛刻的纳米操纵任务实验的灵活性。

CytoSurge的核心产品包括：

FluidFM Probes

用于单个细胞的操作以及纳米光刻。

FluidFM BOT

CytoSurge的旗舰产品：成套设备

3D科学谷将与3D打印紧密相关的FluidFM Probes的市场定位概括如下：
目标用户：科研机构
产品：FluidFM Probes

特点：高精度的测量与控制（纳米级别）

竞争优势：在世界范围内的专利技术、模块化

CytoSurge与瑞士联邦工学院的联合使得FluidFM技术与3D打印几乎深度结合起来，瑞士联邦工学院通过整合FluidFM Probes到打印机上，发现不仅仅可以实现例如金、银、铜这些金属的纳米级打印，还可以打印细胞和复合材料。

这带来了潜在的颠覆，从手表业，到生物打印，再到微机电以及更多行业。

拿触摸屏制造领域来说，触摸屏技术是依靠喷涂在设备表面的微型导电电极实现的。这种肉眼几乎看不到的电极是由导电材料制成的纳米墙组成的，而目前最常用的材料是氧化铟锡，它的透明度很高，但导电性较差。通过瑞士联邦工学院的新方法——以金、银的纳米颗粒为原料3D打印出纳米墙却没有这样的缺陷，因为它可以同时实现较高的透明度和导电性。

正如金属粉末选择性激光融化技术领域，尽管各家设备厂商的设备各有千秋，但设备中不少的核心零部件如反射镜几乎来自同一家厂商。而在传统机床领域，控制系统，导轨，电机，在线测量…各家机床厂商的设备采用的组件品牌可以说大同小异。

或许，CytoSurge的商业模式由于其高难度的技术门槛难以复制，然而，CytoSurge的产品－FluidFM Probes却为我国打开了向纳米领域发展的商业空间。

或许，将来，中国的纳米长城自己来打印，在我国也能诞生像NanoScribe的公司…

根据研究结果，结合多种材料的特性通过3D打印技术就可以创建动态的可编程对象实现4D打印或者5D打印。我们过去看到过负载的正极和负极材料的锂离子电池直接布线油墨的创作；也看到过结合细胞的生物相容性水凝胶来探索组织再生的可能性案例。这些3D打印的设计往往模拟于自然界中活细胞生长生物材料的机制，但是直到现在，人类设计的结果也没有达到与大自然选择的结果相同的复杂水平。与常规的3D打印技术相比，活细胞打印多出了包括独立局部成份和纹理控制水平两个维度。

ETH苏黎世联邦理工学院所谓的5D打印，指的是在增材制造的3D打印的三维空间外，还包括了合成物的局部控制的组合物（第四维度）和颗粒方向（第五维度）的材料设计。受自然界经过进化的“精心设计”的异质结构的启发，例如植物可以根据环境因素的影响而改变自己。研究人员设计出在五维空间内通过编程设计出合成微结构。

图片：打印原理

为了达到“5D的可编程性，”科学家用悬浮在液体感光树脂中的具有磁响应粒子油墨来打印。他们改装了商业3D打印机3DDiscovery的regenHU。三维打印机配备了四个独立可寻址的注射器，可收取不同配方的油墨，还集成了一种双组分混合和分配装置，使油墨在组合物中逐渐改变。至于油墨，使用了不同的流变行为的2种单独的油墨：一种是具有粘弹性的灰色“成型”油墨，用于产生一个外边缘；另一种是低粘度的米色“纹理化油墨”，用于轮廓内的打印。

图片：3DDiscovery的regenHU打印机

科学家打印了复杂的几何形状和复杂的异构组织，这种结构被称为“螺旋”，该结构具有凸、凹在外面的曲率，而其内部则将众多小片汇集成螺旋楼梯的形式，从底部一直延伸到顶部。整个对象的大小仅为18毫米，其圆形底座直径为16毫米，顶部直径为10毫米，总共由60个圆形层组成。科学家们称，这种极端复杂的小尺寸3D打印对象代表了一种更加先进的人造物体，这种物体更加接近于生物材料和植物系统中那种丰富、复杂、高效的几何形状。

图片：内部螺旋微观结构的打印对象

研究人员还能够创造出柔软的机械紧固件和三维形状变化的钥匙锁连接器。利用非均匀复合材料的形状变化，完全可以通过紧固系统预先编程好的形状变化来驱动不同部件之间的机械互锁。这种紧固系统可以创建类似人体肌腱或者肌肉的机械连接系统，也可以用作能够自主触发的灵活关节，以及软机器人技术中的选择性拾取和放置系统。

图片：可编程变形的软机械紧固件

该研究得到了美国空军科学研究办公室、瑞士国家竞争力与研究中心（NCCR）和苏黎世联邦理工学院的资助。利用仿生设计原理，通过3D打印技术达到更广泛的参数空间，将有可能加速开发新一代的智能复合材料使其具有无与伦比的性能和功能，具有更多的生物相容性，丰富环境友好的资源。

编译自：3ders.org