大自然為人類(lèi)肢體繪制的藍(lán)圖是精心分層的結(jié)構(gòu)，堅(jiān)硬的骨頭包裹在不同的軟組織(如肌肉和皮膚)中，彼此完美地結(jié)合在一起。使用合成材料來(lái)實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜性來(lái)構(gòu)建具有生物啟發(fā)性的機(jī)器人零件或多組件，復(fù)雜的機(jī)器一直是工程上的挑戰(zhàn)。

通過(guò)調(diào)整單一聚合物的化學(xué)性質(zhì)，得克薩斯州A&M大學(xué)和美國(guó)陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員創(chuàng)建了一系列合成材料，其質(zhì)地從超軟到極硬。研究人員說(shuō)，它們的材料是3D可打印的，可自我修復(fù)的，可回收的，并且可以在空氣或水下自然地彼此粘附。

他們的發(fā)現(xiàn)在五月份的《高級(jí)功能材料》雜志上有詳細(xì)介紹。

材料科學(xué)與工程系教授Svetlana Sukhishvili博士說(shuō)：“我們制造了一組令人興奮的材料，其材料可以微調(diào)以獲得橡膠的柔軟性或承重塑料的強(qiáng)度。”研究的通訊作者。“它們的其他令人希望的特性，例如3D可打印性和在幾秒鐘內(nèi)自我修復(fù)的能力，使其不僅適用于更逼真的假肢和軟機(jī)器人，而且還非常適合廣泛的軍事應(yīng)用，例如飛機(jī)和未來(lái)派的敏捷平臺(tái)自愈飛機(jī)機(jī)翼。”

合成聚合物由重復(fù)分子圖案的長(zhǎng)串組成，例如鏈上的珠子。在彈性聚合物或彈性體中，這些長(zhǎng)鏈輕度交聯(lián)，使材料具有橡膠質(zhì)。但是，這些交聯(lián)也可用于通過(guò)增加交聯(lián)數(shù)來(lái)使彈性體更堅(jiān)硬。

盡管以前的研究已經(jīng)控制了交聯(lián)劑的密度以使彈性體變硬，但由此產(chǎn)生的機(jī)械強(qiáng)度變化通常是永久性的。

Sukhishvili說(shuō)：“交叉鏈接就像一塊布上的針跡，針跡越多，材料變得越硬，反之亦然。” “但是，我們不是要永久保留這些'縫線'，而是要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)且可逆的交聯(lián)，以便我們可以制造可回收的材料。”

因此，研究人員將注意力集中在涉及交聯(lián)的分子上。首先，他們選擇一種稱為預(yù)聚物的母體聚合物，然后用兩種類(lèi)型的小交聯(lián)分子呋喃和馬來(lái)酰亞胺對(duì)這些預(yù)聚物鏈進(jìn)行化學(xué)釘扎。通過(guò)增加預(yù)聚物中這些分子的數(shù)量，他們發(fā)現(xiàn)它們可以產(chǎn)生更硬的材料。這樣，他們創(chuàng)建的最堅(jiān)硬的材料比最柔軟的材料強(qiáng)1,000倍。

但是，這些交聯(lián)也是可逆的。呋喃和馬來(lái)酰亞胺參與一種可逆的化學(xué)鍵合。簡(jiǎn)而言之，在該反應(yīng)中，呋喃和馬來(lái)酰亞胺對(duì)可以根據(jù)溫度 “點(diǎn)擊”和“取消點(diǎn)擊” 。當(dāng)溫度足夠高時(shí)，這些分子會(huì)脫離聚合物鏈，從而使材料軟化。在室溫下，材料會(huì)硬化，因?yàn)榉肿訒?huì)迅速相互點(diǎn)擊并再次形成交聯(lián)。因此，如果這些材料在環(huán)境溫度下有任何撕裂，研究人員就會(huì)顯示呋喃和馬來(lái)酰亞胺會(huì)自動(dòng)重新點(diǎn)擊，從而在幾秒鐘內(nèi)修復(fù)縫隙。

研究人員指出，對(duì)于不同的硬度水平，交聯(lián)劑從預(yù)聚物鏈上解離或脫離的溫度相對(duì)相同。此屬性對(duì)于使用這些材料進(jìn)行3D打印很有用。無(wú)論它們是軟的還是硬的，材料都可以在相同的溫度下熔化，然后用作印刷油墨。

美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究工程師Frank Gardea博士說(shuō)：“通過(guò)修改標(biāo)準(zhǔn)3-D打印機(jī)的硬件和處理參數(shù)，我們能夠使用我們的材料逐層打印復(fù)雜的3-D對(duì)象。”以及該研究的通訊作者。“我們材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于，構(gòu)成3-D零件的層的剛度可能大不相同。”

當(dāng)3-D零件冷卻到室溫時(shí)，他補(bǔ)充說(shuō)，不同的層可以無(wú)縫連接，從而排除了固化或任何其他化學(xué)處理的需要。因此，3D打印的零件可以很容易地用高溫熔化，然后作為印刷油墨回收。研究人員還指出，他們的材料是可重新編程的。換句話說(shuō)，在被設(shè)置為一種形狀之后，可以僅通過(guò)加熱使它們變?yōu)椴煌男螤睢?/p>

將來(lái)，研究人員計(jì)劃通過(guò)擴(kuò)大當(dāng)前研究中概述的多方面特性來(lái)增加其新材料的功能。

Gardea說(shuō)：“目前，我們可以輕松地在室溫下實(shí)現(xiàn)約80%的自愈，但我們希望達(dá)到100%。而且，我們希望使材料對(duì)除溫度以外的其他刺激(例如光)做出響應(yīng)，”。“在接下來(lái)的過(guò)程中，我們想探索引入一些底層的智能，以便這些材料知道可以自動(dòng)適應(yīng)，而無(wú)需用戶啟動(dòng)該過(guò)程。”