新型3D打印超材料可按需局部变形 引领智能材料新时代

材料科学是3D打印领域的一大关注点。近期，荷兰莱顿大学的研发团队开发出一种能够依据用户要求，在压力条件下发生变形弯曲的新型3D打印超材料。

弯曲变形现象往往被认为是打印材料质量不佳的表现，但这种材料来说则另当别论——这是一种特殊的材料，能够在外部压力的条件下，使特定区域发生变形弯曲，同时保持周围其他区域完整不变。

这一研究是由Vincenzo Vitelli带头在拓补力学实验室进行的，他们认为未来材料将会是“智能的”，这些材料能自动组合和拆卸成不同形状，其中一些必须基于增材料制造技术才能实现。

在一篇刚刚发表的名为《拓扑超材料通过自应力的选择性屈曲（Selective Buckling via States of Self-stress in Topological Metamaterials）》的论文中，研究人员们描述了他们如何使用一些特定的点来“塑造”各种区域。“我们已经证明——那些在外力下能产生小范围自动收缩应力的堆积局域态，是制造具有诱导局部弯曲功能的多孔超材料的关键所在。”该研究团队在其报告中写道，“而且这一原理适用范围很广泛，发生弯曲变形的区域主要是利用了自应力的拓补状态。”

这种超材料的结构也是3D打印的，它展示了3D打印如何能够促进自我可持续性。基于温度、压力或者由于一个系统（如基础设施，或者像桥梁、大厦等施工区域）出现的偏差，这种结构能够变换拉力和压力来缓和应力或完全避免故障。通过研究人员的新型3D打印材料并根据其后续的设想，该结构将拥有内置的灵活性，可在外来因素的影响下最终保持强度和完整性，当然但用肉眼无法鉴别。

“这些局部压曲区域的显著特征是，它们与周围的结构是混为一体无法区分的，甚至包括作为建筑要素的材料参数或者连接性而言。”研究人员Jayson Paulose、Anne S. Meeussen和Vincenzo Vitelli在他们的论文中称，“此外，它们对大范围的结构扰动具有很强的抗性。”也就是说，平时看不出来，当受到压力或其他因素影响的时候，这些结构区域就会表现出与众不同的性质，起到“隐形梁”或者其他功能的作用。

研究人员主要的关注点是机械载荷以及这些3D打印的超材料——其具有可获得的屈曲性能——可以如何用在传统和现有的结构和设备的改进上。

这些智能记忆材料还有以下优势：能够在外部压力的条件下自动生成特定的几何或拓补特性；能够选择性地使材料局部区域发生弯曲变形，这种能力的应用范围可以很广——比如，应用在医学领域，可以形成能够随时变形以适应人体内部结构的细胞支架。

虽然该团队目前还主要关注开发柔性塑料材料，未来将这一原理应用在其他材料上也很有可能。这些“智能材料”引领的新时代，离我们也越来越近了。